El descubrimiento científico puede provenir de cualquier lugar, pero pocos investigadores pueden decir que las respuestas a sus preguntas vendrían de los huesos del tamaño de un guisante en la cabeza de un Peces de agua dulce prehistóricos de 200 libras.

En una combinación única de biología y ciencia de neutrones, Los investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía han obtenido nuevos conocimientos sobre la bioquímica acuática utilizando los otolitos del esturión de lago, Acipenser fulvescens.

Los otolitos son pequeños huesos del oído de los peces que se utilizan para la audición y el equilibrio. compuesto de polimorfos, o formas, de carbonato de calcio llamado calcita, aragonito y vaterita.

La vaterita es el más raro y menos estable de los polimorfos, sin embargo, es un biomaterial muy buscado como aditivo en el papel, plástica, cosméticos y productos biomédicos como nanocápsulas para la liberación de fármacos. A pesar de este interés generalizado, La vaterita sigue siendo una sustancia misteriosa:los investigadores han propuesto más de una docena de modelos de su estructura cristalina poco conocida.

La mayoría de los otolitos de pescado están hechos de aragonito, pero algunas especies primitivas de peces, a saber, esturiones, tienen otolitos de vaterita. Estudios previos de otolitos de esturión informaron fracciones de calcita, o contenido, pero fueron descartados como errores o como subproductos de la preservación, ya que se asumió que los otolitos solo podían ser vaterita pura.

Brenda Pracheil, un ecologista acuático en la División de Ciencias Ambientales de ORNL, se asoció con Bryan Chakoumakos, un científico de neutrones en la División de Materia Condensada Cuántica del laboratorio, para profundizar en los otolitos de esturión con una tecnología novedosa que rara vez se ve en biología acuática.

Usando difracción de neutrones, el par demostró que los otolitos contenían fracciones de vaterita y calcita y validó un modelo estructural cristalino de vaterita para avanzar en la comprensión del raro polimorfo.

"Estamos aplicando técnicas de ciencia de materiales para estudiar otolitos, ", Dijo Chakoumakos." Estamos tratando de agregar un poco de rigor e introducir nuevas técnicas en esta área de investigación emergente ".

A pesar de su alta resolución y facilidad de uso, La difracción de neutrones nunca se había utilizado para examinar la composición polimorfa de los otolitos. Es casi imposible distinguir entre polimorfos a simple vista, y técnicas como la espectroscopía Raman solo muestrean la superficie del otolito. La difracción de rayos X puede encontrar la composición polimorfa media, pero requiere que la muestra se muele hasta convertirla en polvo, destruyendo la orientación cristalina natural y la integridad del otolito.

"Lo bueno de los neutrones es que podemos obtener una instantánea de todo el otolito de forma fácil y no destructiva y conservarla para otras mediciones, "Dijo Chakoumakos.

Los átomos de carbono y oxígeno también dispersan neutrones más fuertes que los rayos X, permitiendo al equipo examinar el grupo de carbonato de vaterita con mayor claridad. Sus datos se ajustan mejor a un modelo estructural corroborado por experimentos de difracción de rayos X, reduciendo el campo de las estructuras propuestas a un modelo confiable.

El estudio de otolitos subraya el potencial de colaboraciones novedosas entre equipos de investigación con objetivos científicos compatibles.

"Es una colaboración bastante buena porque no sabía nada sobre peces, aparte de que me gusta atraparlos con mi caña de pescar, "Dijo Chakoumakos." Casualmente había hecho algo de difracción de neutrones en otolitos que había recolectado. Sabía que había informes de que algunos eran vaterita y quería estudiar ese material porque se desconocía la estructura ".

Chakoumakos se enteró del trabajo de Pracheil sobre microquímica de otolitos y la contactó con una idea para estudiar la vaterita en otolitos de esturión con difracción de neutrones. Desde entonces, su trabajo ha aprovechado la experiencia de Pracheil en otolitos de esturión y la experiencia de Chakoumakos con los instrumentos en la fuente de neutrones de espalación y el reactor de isótopos de alto flujo, que son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

"No ha habido mucha colaboración entre las ciencias ambientales y de neutrones, pero hay muchas aplicaciones para lo que estamos haciendo, ", Dijo Pracheil." Hay tantas herramientas nuevas todo el tiempo, pero no significan nada si no sabe cómo responderán sus preguntas de investigación ".

El siguiente paso para el equipo es complementar sus experimentos de neutrones con difracción por retrodispersión de electrones y microfluorescencia de rayos X para generar mapas espaciales para comprender mejor cómo las diferencias en la composición de los polimorfos influyen en la distribución de oligoelementos en los otolitos.

"Esto es realmente revolucionario para el campo de la microquímica porque dice que debemos considerar estos polimorfos no solo como algo trivial, ", Dijo Pracheil." Hay mucho allí y solo estamos rascando la superficie ".

Después de adquirir tanto conocimiento sobre los minúsculos otolitos a través de estas novedosas técnicas, el equipo puede ver preguntas aún más importantes en ecología acuática, gestión de la pesca y biología evolutiva para que otros científicos las exploren.

"Pienso que es realmente genial, como biólogo, que pudimos tomar este extraño pez prehistórico y validar modelos y describir empíricamente esta estructura cristalina previamente desconocida con técnicas novedosas, ", Dijo Pracheil." Me abrió los ojos a la importancia de estas técnicas de ciencia de materiales para nuestro trabajo fundamental ".