Em um novo estudo publicado em Física da Natureza , pesquisadores do B CUBE — Center for Molecular Bioengineering em TU Dresden e European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) em Grenoble descrevem, pela primeira vez, que os defeitos estruturais no nácar de automontagem se atraem e se cancelam, eventualmente levando a uma estrutura periódica perfeita.

Os moluscos constroem conchas para proteger seus tecidos moles dos predadores. Nácar, também conhecida como a madrepérola, tem um intrincado, estrutura altamente regular que o torna um material incrivelmente forte. Dependendo da espécie, os nácares podem atingir dezenas de centímetros de comprimento. Não importa o tamanho, cada nácar é construído com materiais depositados por uma infinidade de células únicas em vários locais diferentes ao mesmo tempo. Como exatamente essa estrutura altamente periódica e uniforme emerge da desordem inicial era desconhecida até agora.

A formação do nácar começa descoordenada com as células depositando o material simultaneamente em diferentes locais. Não surpreendentemente, a estrutura do nácar inicial não é muito regular. Neste ponto, está cheio de defeitos. "No começo, o tecido mineral-orgânico em camadas está cheio de falhas estruturais que se propagam por várias camadas como uma hélice. Na verdade, eles se parecem com uma escada em espiral, tendo orientação para destros ou canhotos, "diz o Dr. Igor Zlotnikov, líder do grupo de pesquisa no B CUBE - Centro de Bioengenharia Molecular em TU Dresden. "O papel desses defeitos na formação de um tecido tão periódico nunca foi estabelecido. Por outro lado, o nácar maduro é livre de defeitos, com um regular, estrutura uniforme. Como a perfeição poderia emergir de tal desordem? "

Os pesquisadores do grupo Zlotnikov colaboraram com a European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) em Grenoble para dar uma olhada detalhada na estrutura interna do nácar precoce e maduro. Usando nano-tomografia holográfica de raios-X baseada em síncrotron, os pesquisadores puderam capturar o crescimento do nácar ao longo do tempo. "Nacre é uma estrutura extremamente fina, tendo características orgânicas abaixo de 50 nm de tamanho. Beamline ID16A no ESRF nos forneceu uma capacidade sem precedentes para visualizar nácar em três dimensões, "explica o Dr. Zlotnikov." A combinação de plaquetas inorgânicas de elétrons densas e altamente periódicas com interfaces orgânicas delicadas e delgadas torna o nácar uma estrutura desafiadora para a imagem. A imagem criogênica nos ajudou a obter o poder de resolução de que precisávamos, "explica o Dr. Pacureanu do grupo Nanoprobe de raios-X do ESRF.

A análise dos dados foi um grande desafio. Os pesquisadores desenvolveram um algoritmo de segmentação usando redes neurais e o treinaram para separar diferentes camadas de nácar. Desta maneira, eles foram capazes de acompanhar o que acontece com os defeitos estruturais à medida que o nácar cresce.

O comportamento dos defeitos estruturais em um nácar em crescimento foi surpreendente. Defeitos na direção oposta do parafuso foram atraídos uns aos outros a partir de grandes distâncias. Os defeitos destros e canhotos se moveram pela estrutura, até que eles se conheceram, e cancelaram um ao outro. Esses eventos levaram a uma sincronização em todo o tecido. Hora extra, permitiu que a estrutura evoluísse para um formato perfeitamente regular e sem defeitos.

Estruturas periódicas semelhantes ao nácar são produzidas por muitas espécies animais diferentes. Os pesquisadores acham que o mecanismo recém-descoberto pode conduzir não apenas a formação do nácar, mas também de outras estruturas biogênicas.