In een nieuwe studie gepubliceerd in Natuurfysica , onderzoekers van het B CUBE-Center for Molecular Bioengineering aan de TU Dresden en European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble beschrijven, Voor de eerste keer, dat structurele defecten in zelfassemblerend paarlemoer elkaar aantrekken en opheffen, uiteindelijk leidend tot een perfecte periodieke structuur.

Weekdieren bouwen schelpen om hun zachte weefsels te beschermen tegen roofdieren. parelmoer, ook wel parelmoer genoemd, heeft een ingewikkelde, zeer regelmatige structuur waardoor het een ongelooflijk sterk materiaal is. Afhankelijk van de soort, parelmoer kan tientallen centimeters lang worden. Ongeacht de grootte, elk paarlemoer is opgebouwd uit materialen die zijn afgezet door een groot aantal afzonderlijke cellen op meerdere verschillende locaties tegelijkertijd. Hoe deze zeer periodieke en uniforme structuur precies uit de oorspronkelijke wanorde voortkomt, was tot nu toe onbekend.

De vorming van parelmoer begint ongecoördineerd met de cellen die het materiaal tegelijkertijd op verschillende locaties deponeren. Niet verrassend, de vroege parelmoerstructuur is niet erg regelmatig. Op dit punt, het zit vol gebreken. "In het prille begin het gelaagde mineraal-organische weefsel zit vol structurele fouten die zich als een helix door een aantal lagen voortplanten. In feite, ze zien eruit als een wenteltrap, met ofwel rechtshandige of linkshandige oriëntatie, " zegt dr. Igor Zlotnikov, onderzoeksgroepleider bij de B CUBE—Center for Molecular Bioengineering aan de TU Dresden. "De rol van deze defecten bij het vormen van zo'n periodiek weefsel is nooit vastgesteld. Aan de andere kant, het rijpe paarlemoer is vrij van gebreken, met een gewone, uniforme structuur. Hoe kan perfectie voortkomen uit zo'n wanorde?"

De onderzoekers van de Zlotnikov-groep werkten samen met de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble om de interne structuur van het vroege en volwassen paarlemoer zeer gedetailleerd te bekijken. Met behulp van op synchrotron gebaseerde holografische röntgennanotomografie konden de onderzoekers de groei van parelmoer in de loop van de tijd vastleggen. "Parelmoer is een uiterst fijne structuur, met organische kenmerken kleiner dan 50 nm. Beamline ID16A op de ESRF bood ons een ongekende mogelijkheid om parelmoer in drie dimensies te visualiseren, " legt Dr. Zlotnikov uit. "De combinatie van elektronendichte en zeer periodieke anorganische bloedplaatjes met delicate en slanke organische interfaces maakt parelmoer tot een uitdagende structuur om af te beelden. Cryogene beeldvorming hielp ons het oplossend vermogen te verkrijgen dat we nodig hadden, " legt Dr. Pacureanu uit van de X-ray Nanoprobe-groep bij de ESRF.

Het analyseren van data was een hele uitdaging. De onderzoekers ontwikkelden een segmentatie-algoritme met behulp van neurale netwerken en trainden het om verschillende lagen parelmoer te scheiden. Op deze manier, ze waren in staat om te volgen wat er met de structurele defecten gebeurt als parelmoer groeit.

Het gedrag van structurele defecten in een groeiend paarlemoer was verrassend. Defecten van tegengestelde schroefrichting werden van grote afstanden tot elkaar aangetrokken. De rechtshandige en linkshandige defecten bewogen door de structuur, totdat ze elkaar ontmoetten, en sloten elkaar af. Deze gebeurtenissen leidden tot een weefselbrede synchronisatie. Overuren, het liet de structuur toe om zich te ontwikkelen tot een perfect regelmatig en foutloos.

Periodieke structuren vergelijkbaar met parelmoer worden geproduceerd door veel verschillende diersoorten. De onderzoekers denken dat het nieuw ontdekte mechanisme niet alleen de vorming van parelmoer zou kunnen stimuleren, maar ook andere biogene structuren.