Många organismer kan producera mineraler eller mineraliserad vävnad. Ett välkänt exempel är pärlemor, som används i smycken på grund av sina iriserande färger. Kemiskt sett börjar dess bildning med att ett mollusk extraherar kalcium- och karbonatjoner från vatten. Men de exakta processerna och förhållandena som leder till pärlemor, en sammansättning av biopolymerer och blodplättar av kristallint kalciumkarbonat, är föremål för intensiv debatt bland experter, och det finns olika teorier.
Forskare är överens om att icke-kristallina intermediärer, såsom amorft kalciumkarbonat (ACC), spelar en avgörande roll i biomineralisering. Hummer och andra kräftdjur har till exempel tillgång till ACC i magen, som de använder för att bygga ett nytt skal efter smältning. I en nyligen publicerad studie publicerad i Nature Communications , har forskare från University of Konstanz och Leibniz University Hannover nu lyckats dechiffrera ACC-bildningsvägen.
Forskarna ledda av Denis Gebauer (Leibniz University Hannover) och Guinevere Mathies (University of Konstanz) drog fördel av det faktum att ACC kan syntetiseras inte bara av levande organismer, utan också i laboratoriet. Med hjälp av avancerade metoder som magic-angle spinning nuclear magnetic resonance (MAS NMR) spektroskopi, analyserade de små ACC-partiklar för att bestämma deras struktur.
"Vi kämpade med att tolka spektra av ACC. De föreslog dynamik, som vi inte kunde modellera först", säger Mathies.
En viktig ledtråd gavs av kollegorna från Leibniz University Hannover. Maxim Gindele från Gebauer-gruppen visade att ACC leder elektricitet. Eftersom ACC-partiklar är mycket ömtåliga och bara tiotals nanometer stora, var detta inte så lätt som att sticka in två ledningar.
Istället utfördes mätningarna med hjälp av konduktivitetsatomkraftsmikroskopi (C-AFM), där ACC-partiklar på en plan yta detekteras genom att en minuskule fribärare skannar ytan och visualiseras med hjälp av en laserstråle. När konsolen placeras på en av nanopartiklarna passerar en ström genom dess spets för att mäta konduktiviteten.
Informerad av observationen av konduktivitet utförde Sanjay Vinod Kumar från Mathies-gruppen ytterligare MAS NMR-experiment som syftade till att sondera dynamiken. De indikerade två distinkta kemiska miljöer i ACC-partiklarna. I den första miljön är vattenmolekylerna inbäddade i styvt kalciumkarbonat och kan bara genomgå 180-graders vändningar. Den andra miljön består av vattenmolekyler som genomgår långsam tumlande och translation, med lösta hydroxidjoner.
"Den återstående utmaningen var att förena de två miljöerna med den observerade konduktiviteten. Fasta salter är isolatorer och därför var den andra, mobila miljön tvungen att spela en roll", säger Mathies. I den nya modellen bildar de mobila vattenmolekylerna ett nätverk genom ACC-nanopartiklarna. De lösta hydroxidjonerna bär laddningen.
Forskarna kan också förklara bildandet av de två kemiska miljöerna:i vatten tenderar kalcium- och karbonatjoner att klibba ihop och bilda dynamiska sammansättningar som kallas pre-nucleation-kluster. Klustren kan genomgå fasseparation och bilda täta vätskedroppar, som i sin tur smälter samman till större aggregat – liknande hur såpbubblor smälter samman.
"Den stela, mindre rörliga miljön uppstår från kärnan av de täta, flytande nanodroppar. Nätverket av mobila vattenmolekyler, å andra sidan, förblir från ofullständig sammansmältning av droppytorna under uttorkning mot fast ACC", förklarar Gebauer.
Dessa resultat är ett viktigt steg mot en strukturell modell för ACC. Samtidigt ger de solida bevis för att mineralisering börjar med kluster före kärnbildning. "Detta för oss inte bara närmare att förstå hemligheten bakom biomineralisering, utan kan också ha tillämpningar i utvecklingen av cementbaserade material som binder koldioxid och, eftersom vi nu vet att ACC är en ledare, i elektrokemiska anordningar", avslutar Mathies.
Mer information: Maxim B. Gindele et al, Kolloidala vägar för bildning av amorft kalciumkarbonat leder till distinkta vattenmiljöer och konduktivitet, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44381-x
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av University of Konstanz
