Veel organismen kunnen mineralen of gemineraliseerd weefsel produceren. Een bekend voorbeeld is parelmoer, dat vanwege de iriserende kleuren in sieraden wordt gebruikt. Chemisch gezien begint de vorming ervan met een weekdier dat calcium- en carbonaationen uit water haalt. De exacte processen en omstandigheden die leiden tot parelmoer, een samenstelling van biopolymeren en bloedplaatjes van kristallijn calciumcarbonaat, zijn echter onderwerp van intensief debat onder experts, en er bestaan ​​verschillende theorieën.

Onderzoekers zijn het erover eens dat niet-kristallijne tussenproducten, zoals amorf calciumcarbonaat (ACC), een cruciale rol spelen bij biomineralisatie. Kreeften en andere schaaldieren houden bijvoorbeeld een voorraad ACC in hun maag, die ze gebruiken om na de rui een nieuwe schaal op te bouwen. Dat blijkt uit een recente studie gepubliceerd in Nature Communications , zijn onderzoekers van de Universiteit van Konstanz en de Leibniz Universiteit Hannover er nu in geslaagd het vormingstraject van ACC te ontcijferen.

Een combinatie van geavanceerde methoden

De onderzoekers onder leiding van Denis Gebauer (Leibniz Universiteit Hannover) en Guinevere Mathies (Universiteit van Konstanz) profiteerden van het feit dat ACC niet alleen door levende organismen kan worden gesynthetiseerd, maar ook in het laboratorium. Met behulp van geavanceerde methoden zoals MAS NMR-spectroscopie (magisch-hoekdraaiende kernspinresonantie) analyseerden ze kleine ACC-deeltjes om hun structuur te bepalen.

"We hadden moeite om de spectra van ACC te interpreteren. Ze suggereerden dynamieken die we aanvankelijk niet konden modelleren", zegt Mathies.

Een belangrijke aanwijzing werd gegeven door de collega's van de Leibniz Universiteit Hannover. Maxim Gindele van de Gebauer-groep toonde aan dat ACC elektriciteit geleidt. Omdat ACC-deeltjes erg kwetsbaar zijn en slechts tientallen nanometers groot zijn, was dit niet zo eenvoudig als het insteken van twee draadjes.

In plaats daarvan werden de metingen uitgevoerd met behulp van conductiviteitsatoomkrachtmicroscopie (C-AFM), waarbij ACC-deeltjes op een plat oppervlak worden gedetecteerd door een minuscule cantilever die het oppervlak scant en zichtbaar maakt met behulp van een laserstraal. Wanneer de cantilever op een van de nanodeeltjes wordt geplaatst, wordt er een stroom door de punt geleid om de geleidbaarheid te meten.

Twee verschillende omgevingen

Geïnformeerd door de observatie van geleidbaarheid, voerde Sanjay Vinod Kumar van de Mathies-groep verdere MAS NMR-experimenten uit, gericht op het onderzoeken van de dynamiek. Ze wezen op twee verschillende chemische omgevingen in de ACC-deeltjes. In de eerste omgeving zijn de watermoleculen ingebed in stijf calciumcarbonaat en kunnen ze slechts 180 graden draaien. De tweede omgeving bestaat uit watermoleculen die langzaam tuimelen en transleren, met opgeloste hydroxide-ionen.

"De resterende uitdaging was om de twee omgevingen te verzoenen met de waargenomen geleidbaarheid. Vaste zouten zijn isolatoren en daarom moest de tweede, mobiele omgeving een rol spelen", zegt Mathies. In het nieuwe model vormen de mobiele watermoleculen een netwerk via de ACC-nanodeeltjes. De opgeloste hydroxide-ionen dragen de lading.

De onderzoekers kunnen ook rekening houden met de vorming van de twee chemische omgevingen:in water hebben calcium- en carbonaationen de neiging om aan elkaar te plakken en dynamische assemblages te vormen die pre-nucleatieclusters worden genoemd. De clusters kunnen fasescheiding ondergaan en dichte, vloeibare druppeltjes vormen, die op hun beurt samensmelten tot grotere aggregaties, vergelijkbaar met hoe zeepbellen samenvloeien.

"De rigide, minder mobiele omgeving ontstaat uit de kern van de dichte, vloeibare nanodruppeltjes. Het netwerk van mobiele watermoleculen daarentegen blijft bestaan ​​door imperfecte coalescentie van de druppeloppervlakken tijdens uitdroging naar vaste ACC", legt Gebauer uit. P>

Deze resultaten zijn een belangrijke stap in de richting van een structureel model voor ACC. Tegelijkertijd leveren ze solide bewijs dat mineralisatie begint met pre-nucleatieclusters. "Dit brengt ons niet alleen dichter bij het begrijpen van het geheim van biomineralisatie, maar kan ook toepassingen hebben bij de ontwikkeling van cementachtige materialen die koolstofdioxide binden en, aangezien we nu weten dat ACC een geleider is, in elektrochemische apparaten", besluit Mathies.

Meer informatie: Maxim B. Gindele et al, Colloïdale routes van amorfe calciumcarbonaatvorming leiden tot verschillende wateromgevingen en geleidbaarheid, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44381-x

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Universiteit van Konstanz