Muchos organismos pueden producir minerales o tejido mineralizado. Un ejemplo muy conocido es el nácar, que se utiliza en joyería por sus colores iridiscentes. Químicamente hablando, su formación comienza cuando un molusco extrae iones de calcio y carbonato del agua. Sin embargo, los procesos y condiciones exactos que dan lugar al nácar, un compuesto de biopolímeros y plaquetas de carbonato de calcio cristalino, son objeto de intenso debate entre expertos y existen diferentes teorías.
Los investigadores coinciden en que los intermedios no cristalinos, como el carbonato de calcio amorfo (ACC), desempeñan un papel crucial en la biomineralización. Las langostas y otros crustáceos, por ejemplo, mantienen un suministro de ACC en sus estómagos, que utilizan para construir un nuevo caparazón después de la muda. En un estudio reciente publicado en Nature Communications , investigadores de la Universidad de Konstanz y de la Universidad Leibniz de Hannover han logrado descifrar el camino de formación del ACC.
Los investigadores dirigidos por Denis Gebauer (Universidad Leibniz de Hannover) y Guinevere Mathies (Universidad de Konstanz) aprovecharon el hecho de que el ACC puede ser sintetizado no sólo por organismos vivos, sino también en el laboratorio. Utilizando métodos avanzados como la espectroscopia de resonancia magnética nuclear de giro de ángulo mágico (MAS NMR), analizaron pequeñas partículas de ACC para determinar su estructura.
"Nos costó interpretar los espectros de ACC. Sugirieron una dinámica que al principio no pudimos modelar", dice Mathies.
Los colegas de la Universidad Leibniz de Hannover proporcionaron una pista importante. Maxim Gindele, del grupo Gebauer, demostró que el ACC conduce electricidad. Dado que las partículas de ACC son muy frágiles y tienen un tamaño de sólo decenas de nanómetros, esto no fue tan fácil como insertar dos cables.
En cambio, las mediciones se llevaron a cabo utilizando microscopía de fuerza atómica de conductividad (C-AFM), en la que las partículas de ACC en una superficie plana se detectan mediante un minúsculo voladizo que escanea la superficie y se visualizan con la ayuda de un rayo láser. Cuando el voladizo se coloca sobre una de las nanopartículas, se pasa una corriente a través de su punta para medir la conductividad.
Informado por la observación de la conductividad, Sanjay Vinod Kumar, del grupo Mathies, realizó más experimentos de RMN MAS destinados a sondear la dinámica. Indicaron dos entornos químicos distintos en las partículas de ACC. En el primer entorno, las moléculas de agua están incrustadas en carbonato de calcio rígido y sólo pueden sufrir giros de 180 grados. El segundo entorno consiste en moléculas de agua que sufren una lenta rotación y traslación, con iones de hidróxido disueltos.
"El desafío restante era conciliar los dos entornos con la conductividad observada. Las sales sólidas son aislantes y, por lo tanto, el segundo entorno móvil tenía que desempeñar un papel", afirma Mathies. En el nuevo modelo, las moléculas de agua móviles forman una red a través de las nanopartículas ACC. Los iones de hidróxido disueltos llevan la carga.
Los investigadores también pueden explicar la formación de dos entornos químicos:en el agua, los iones de calcio y carbonato tienden a unirse y formar conjuntos dinámicos llamados grupos de prenucleación. Los grupos pueden sufrir una separación de fases y formar gotas líquidas densas, que a su vez se fusionan en agregaciones más grandes, similar a cómo se fusionan las pompas de jabón.
"El entorno rígido y menos móvil se origina en el núcleo de las densas nanogotas líquidas. La red de moléculas de agua móviles, por el contrario, resulta de la coalescencia imperfecta de las superficies de las gotitas durante la deshidratación hacia el ACC sólido", explica Gebauer. P>
Estos resultados son un paso significativo hacia un modelo estructural para ACC. Al mismo tiempo, proporcionan evidencia sólida de que la mineralización comienza con grupos previos a la nucleación. "Esto no sólo nos acerca a la comprensión del secreto de la biomineralización, sino que también puede tener aplicaciones en el desarrollo de materiales cementosos que se unan al dióxido de carbono y, como ahora sabemos que el ACC es un conductor, en dispositivos electroquímicos", concluye Mathies. /P>
Más información: Maxim B. Gindele et al, Las vías coloidales de formación de carbonato de calcio amorfo conducen a distintos ambientes y conductividades del agua, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44381-x
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por la Universidad de Konstanz
