Calciumcarbonaat, of CaCO3, meer dan 4% van de aardkorst uitmaakt. De meest voorkomende natuurlijke vormen zijn krijt, kalksteen, en marmer, geproduceerd door de sedimentatie van de schelpen van kleine gefossiliseerde slakken, schaaldieren, en koraal gedurende miljoenen jaren.

Onderzoekers van de New York University College of Dentistry (NYU Dentistry) bestuderen hoe de natuur driedimensionale CaCO3 anorganische/organische materialen creëert om zeeschelpen te vormen, ongewervelde exoskeletten, en gewerveld bot, dentine, en emaille.

John Evans, DMD, doctoraat, een professor in de afdeling Basiswetenschappen en Craniofaciale Biologie van de NYU Tandheelkunde, houdt toezicht op een onderzoeksgroep die zich richt op de studie van eiwitten die de vorming van biomineralen moduleren, die op hun beurt nieuwe composietmaterialen creëren met unieke eigenschappen, zoals een verhoogde breuk- en perforatieweerstand.

In een onlangs gepubliceerd artikel in Biochemie , Gaurav Jaïn, doctoraat, een postdoc in het laboratorium van Dr. Evans en co-auteur van "A model sea urchin spicule matrix protein, rSpSM50, is een hydrogelator die het mineralisatieproces wijzigt en organiseert, " gekeken naar hoe de CaCO3-matrix is ​​georganiseerd in een zee-egelspicule (zie figuur 1). deze spicules zijn niets meer dan krijt, maar in combinatie met zee-egelproteïnen, ze vormen kleine stapels "stenen, " het creëren van een structuur die een van de zwaarste verdedigingen biedt tegen roofdieren en barre oceaanomstandigheden.

"Primaire mesenchymcellen (PMC's) in een zee-egelembryo zetten amorf CaCO3 af in de matrix van spicule-eiwitten, waar deze stenen worden gevormd tot lagen calciumcarbonaatkristallen, " merkt Dr. Jain op. "Echter, de functionele en assemblagemogelijkheden van individuele spicule-matrixeiwitten zijn niet duidelijk. We onderzoeken momenteel zo'n eiwit dat wordt aangetroffen in de spicules van een zee-egelembryo om te begrijpen waarom deze eiwitten zo'n efficiënte 'baksteenorganizers' zijn."

De onderzoekers keken naar SM50, een van de meest voorkomende en best bestudeerde eiwitten die in deze spicules worden gevonden. Ze ontdekten dat een recombinante versie van het SM50-eiwit, rSpSM50, is een zeer aggregatiegevoelig eiwit dat in oplossing kleine geleiachtige structuren vormt die hydrogels worden genoemd. Deze 'gelei' vangen minuscule minerale nanodeeltjes en organiseren ze in kristallijne 'stenen'. Bovendien, rSpSM50 veroorzaakt oppervlaktetextuur en vormt willekeurig onderling verbonden poreuze kanalen in deze kristallen.

"Het unieke aan rSpSM50 is dat het de vorming en organisatie van twee verschillende vormen van calciumcarbonaat bevordert - calciet en vateriet in de 'gelei' zelf, het induceren van breukweerstand aan de algehele structuur, " zei dr. Jain.

Onderzoekers gebruikten een specifiek type titratiemethode die de details onthulde over zeer vroege gebeurtenissen in de spicule-vorming.

"rSpSM50 blijkt een heel belangrijk stukje van de puzzel te zijn, omdat het de vormingskinetiek vertraagt, maar noch de uiterst kleine minerale deeltjes stabiliseert of destabiliseert die uiteindelijk deze stenen vormen, " zegt co-auteur Martin Pendola, doctoraat.

CaCo3 is altijd het favoriete bouwmateriaal van een man geweest om primitieve gereedschappen te maken, muziekinstrumenten, en handwerk sinds het begin van de beschaving. In de moderne tijd, CaCO3 is het meest gebruikte mineraal in papier, kunststoffen, verf- en coatingindustrie zowel als vulmiddel - en vanwege de speciale witte kleur - als coatingpigment.

"Ons huidige onderzoek, gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie, zal wetenschappers in staat stellen om het mineralisatie- en assemblageproces dat cruciaal is voor de vorming van spiculen in zee-egels beter te begrijpen, " zei Dr. Evans. "Ons uiteindelijke doel is om de moleculaire eigenschappen van deze eiwitten te bepalen die matrices in staat stellen te assembleren, mineraliseren, en deelnemen aan de vorming van natuurlijk voorkomende organische/anorganische skeletstructuren. De hoop is dat het uitgebreide begrip van spicule-eiwitten de ontwikkeling mogelijk zal maken van afstembare breukbestendige materialen die op een dag hun gebruik zullen vinden bij de ontwikkeling van lichtgewicht 'pantser' en 'stevigere' tandheelkundige composieten."