Una sección transversal a través de una concha que muestra el nácar en capas periódicas sobre una estructura de concha prismática. Crédito:© Igor Zlotnikov
En un nuevo estudio publicado en Física de la naturaleza , Investigadores del B CUBE — Centro de Bioingeniería Molecular en TU Dresden y la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF) en Grenoble describen, por primera vez, que los defectos estructurales del nácar autoensamblado se atraen y anulan entre sí, eventualmente conduciendo a una estructura periódica perfecta.
Los moluscos construyen conchas para proteger sus tejidos blandos de los depredadores. Nácar, también conocido como el nácar, tiene un intrincado, estructura muy regular que lo convierte en un material increíblemente resistente. Dependiendo de la especie, los nácares pueden alcanzar decenas de centímetros de longitud. No importa el tamaño, cada nácar se construye a partir de materiales depositados por una multitud de celdas individuales en múltiples ubicaciones diferentes al mismo tiempo. Hasta ahora se desconocía cómo exactamente esta estructura tan periódica y uniforme emerge del desorden inicial.
La formación de nácar comienza descoordinada y las células depositan el material simultáneamente en diferentes lugares. No es sorprendente, la estructura temprana del nácar no es muy regular. En este punto, está lleno de defectos. "Al principio, el tejido mineral-orgánico en capas está lleno de fallas estructurales que se propagan a través de varias capas como una hélice. De hecho, parecen una escalera de caracol, tener orientación para diestros o zurdos, "dice el Dr. Igor Zlotnikov, líder del grupo de investigación en el B CUBE — Centro de Bioingeniería Molecular en TU Dresden. "El papel de estos defectos en la formación de un tejido tan periódico nunca se ha establecido. Por otro lado, el nácar maduro está libre de defectos, con un regular, estructura uniforme. ¿Cómo podría surgir la perfección de tal desorden? "
Los investigadores del grupo Zlotnikov colaboraron con la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF) en Grenoble para analizar en detalle la estructura interna del nácar temprano y maduro. Usando nano-tomografía de rayos X holográfica basada en sincrotrón, los investigadores pudieron capturar el crecimiento del nácar a lo largo del tiempo. "El nácar es una estructura extremadamente fina, que tiene características orgánicas por debajo de 50 nm de tamaño. Beamline ID16A en el ESRF nos brindó una capacidad sin precedentes para visualizar nácar en tres dimensiones, "explica el Dr. Zlotnikov." La combinación de plaquetas inorgánicas densas en electrones y muy periódicas con interfaces orgánicas delicadas y delgadas hace que el nácar sea una estructura desafiante para la imagen. Las imágenes criogénicas nos ayudaron a obtener el poder de resolución que necesitábamos, "explica el Dr. Pacureanu del grupo de Nanoprobe de rayos X en la ESRF.
La estación final en la línea de haz de nano-tomografía de rayos X holográficos (ID16A) en ESRF. Crédito:© Igor Zlotnikov
El análisis de datos fue todo un desafío. Los investigadores desarrollaron un algoritmo de segmentación utilizando redes neuronales y lo entrenaron para separar diferentes capas de nácar. De este modo, pudieron seguir lo que sucede con los defectos estructurales a medida que crece el nácar.
El comportamiento de los defectos estructurales en un nácar en crecimiento fue sorprendente. Los defectos de la dirección opuesta del tornillo se atrajeron entre sí desde grandes distancias. Los defectos diestros y zurdos se movieron a través de la estructura, hasta que se conocieron y se anularon el uno al otro. Estos eventos llevaron a una sincronización de todo el tejido. Tiempo extraordinario, permitió que la estructura se convirtiera en una estructura perfectamente regular y sin defectos.
Las estructuras periódicas similares al nácar son producidas por muchas especies animales diferentes. Los investigadores creen que el mecanismo recién descubierto podría impulsar no solo la formación de nácar sino también otras estructuras biogénicas.
