Een blik op nanoschaal naar de vorming van schelpen en koraal laat zien dat biomineralisatie complexer is dan gedacht

Hoe maakt koraal precies zijn skelet, krijgt een zee-egel een ruggengraat, of vormt een zeeoor het parelmoer in zijn schelp? Uit een nieuwe studie bij de Advanced Light Source van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy is gebleken dat dit proces van biomineralisatie, dat zeedieren gebruiken om koolstof in hun lichaam op te sluiten, complexer en diverser is dan eerder werd gedacht.

Onderzoekers bestudeerden de randen van monsters van koraal, zee-egels en weekdieren, waar tijdelijke bouwstenen, bekend als ‘minerale voorlopers’, de nieuwe schaal of het nieuwe skelet beginnen te vormen. Daar ontdekten ze een verrassing: koralen en weekdieren produceerden een minerale voorloper die nog nooit eerder in levende organismen was waargenomen en pas onlangs synthetisch was gemaakt.

Ook vonden ze variatie in de aanwezige soorten bouwstenen. Wetenschappers verwachtten ‘amorfe’ voorlopers te zien, mineralen die geen zich herhalende atomaire structuur hebben. Dat deden ze, maar ze vonden ook ‘kristallijne’ voorlopers, mineralen die meer gestructureerd en geordend zijn. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie.

“Een fascinerende observatie is dat koraalskeletten en parelmoer van weekdieren precies dezelfde voorlopers hebben, maar toch volledig gescheiden van elkaar zijn geëvolueerd”, zegt Pupa Gilbert, gastwetenschapper aan het Berkeley Lab en professor aan de Universiteit van Wisconsin. , Madison. Ze merkte op dat de twee soorten biomineralen begonnen te maken lang nadat ze van elkaar waren afgeweken in de levensboom.

“Dat is cool, want het betekent dat het op die manier maken van een biomineraal, met zoveel precursoren, een evolutionair voordeel is – energetisch, thermodynamisch of op een andere manier,” zei Gilbert. “Als natuurkundige vind ik het fascinerend dat zoveel van het leven, en de biologie in het algemeen, de schoonheid van de natuurkunde benut om evolutionaire voordelen te behalen.”

Wetenschappers ontdekten ook verschillende verhoudingen van de bouwstenen die aanwezig zijn in verschillende soorten. De verrassende minerale voorloper, calciumcarbonaathemihydraat (CCHH), en een andere bouwsteen (monohydrocalciet of MHC) werden beide aangetroffen in koralen en weekdieren. Maar CCHH en MHC kwamen slechts in sporenhoeveelheden voor in de stekels van zee-egels, wat erop wijst dat verschillende dieren verschillende benaderingen van biomineralisatie hanteren.

Onderzoekers deden de ontdekking met behulp van de Advanced Light Source (ALS), een cirkelvormige deeltjesversneller die intense lichtbundels produceert. De ALS kan fungeren als een krachtige microscoop en informatie verschaffen over de atomaire en chemische structuur van monsters. Wetenschappers gebruikten twee verschillende technieken om het oppervlak van de materialen en hun chemische samenstelling te bestuderen, waardoor zowel de onverwachte mineralen als de verscheidenheid aan bouwstenen zichtbaar werden.

“Het is enorm ingewikkeld om deze experimenten uit te voeren, omdat we de monsters meteen moeten analyseren, terwijl ze vers zijn, om de voorlopers te zien terwijl de biomineralen zich vormen,” zei Gilbert.

“Als we maar één dag wachten, missen we deze fasen die slechts tijdelijk bestaan. Bij Berkeley Lab hebben we deze unieke mogelijkheid waarbij we de monsters ter plaatse kunnen voorbereiden en vervolgens toegang hebben tot deze fantastische straal en microscopen die de beste op de markt zijn. wereld en geef ons de resolutie en dieptegevoeligheid op nanoschaal die we nodig hebben.”

Om minerale deeltjes op dit minuscule niveau te bestuderen, ontwikkelden onderzoekers ook een nieuwe methode genaamd ‘Myriad Mapping’. De techniek maakt het mogelijk om alle verschillende soorten en relatieve concentraties mineralen in één beeld te visualiseren; eerdere methoden beperkten onderzoekers tot slechts drie soorten mineralen. De aanpak kan ook toepassingen hebben op andere gebieden, variërend van atomaire tot kosmische schaal.

Gilbert en haar medewerkers doen voortdurend onderzoek naar de manier waarop de toenemende zuurgraad van oceaanwater de manier beïnvloedt waarop zeedieren biomineralen maken. Het begrijpen van dit proces is essentieel om te voorspellen hoe het zeeleven zal reageren op veranderingen in het milieu, zoals zuurdere oceanen als gevolg van klimaatverandering.