Uma análise em nanoescala de como as conchas e os corais se formam revela que a biomineralização é mais complexa do que se imaginava
Crédito:Dagmara Dombrovska da Pexels Exatamente como é que o coral faz o seu esqueleto, um ouriço-do-mar desenvolve uma espinha, ou um abalone forma a madrepérola na sua concha? Um novo estudo realizado na Fonte de Luz Avançada do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) revelou que este processo de biomineralização, que as criaturas marinhas usam para reter carbono em seus corpos, é mais complexo e diversificado do que se pensava anteriormente.
Os pesquisadores estudaram as bordas de amostras de corais, ouriços-do-mar e moluscos, onde blocos de construção temporários conhecidos como “precursores minerais” começam a formar a nova concha ou esqueleto. Lá, encontraram uma surpresa:corais e moluscos produziram um precursor mineral que nunca tinha sido observado antes em organismos vivos e só recentemente foi criado sinteticamente.
Eles também encontraram variedade nos tipos de blocos de construção presentes. Os cientistas esperavam ver precursores “amorfos”, minerais que não possuem uma estrutura atômica repetitiva. Sim, mas também encontraram precursores "cristalinos", minerais mais estruturados e ordenados. A pesquisa foi publicada na revista Nature Communications .
"Uma observação fascinante é que os esqueletos de coral e a madrepérola dos moluscos se formam exatamente com os mesmos precursores, mas evoluíram completamente separados um do outro", disse Pupa Gilbert, cientista visitante do Berkeley Lab e professor da Universidade de Wisconsin. , Madison. Ela observou que as duas espécies começaram a produzir biominerais muito depois de divergirem uma da outra na árvore da vida.
“Isso é legal porque significa que produzir um biomineral dessa forma, com tantos precursores, é uma vantagem evolutiva – energeticamente, termodinamicamente ou de alguma outra forma”, disse Gilbert. "Como físico, acho fascinante que grande parte da vida, e da biologia em geral, esteja aproveitando a beleza da física para obter vantagens evolutivas."
CCHH na superfície do esqueleto do coral. CCHH na superfície de uma Stylophora pistillata esqueleto de coral. A , B Imagem fotoelétron em escala de cinza de um esqueleto de coral (parte superior) com tecido e material de incorporação (parte inferior). A caixa em (B ) indica a região ampliada em (A ). Em ambos os painéis, os pixels coloridos sobrepostos à micrografia em escala de cinza são Myriad Maps (MMs) de carbonato de fases minerais em nanoescala, exibindo apenas pixels que continham 50% ou mais de cada fase, codificados por cores de forma vermelho =ACCH2 O, verde =ACC, ciano =CCHH, magenta =MHC, azul =aragonita, com cores mais brilhantes/mais escuras correspondendo a maior/menor concentração (ver legenda de cores). Em (B ), os pixels azuis de aragonita não são exibidos, portanto a morfologia do esqueleto é visível. Esta área foi analisada em duplicata com resultados consistentes. C Espectros de absorção de raios X de borda L de Ca de 5 fases de carbonato de cálcio, adquiridos de minerais de referência sintéticos, usados para MMs e codificados por cores como em (A ), (B ). Os espectros foram deslocados verticalmente para maior clareza. Crédito:Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46117-x
Os cientistas também encontraram diferentes proporções dos blocos de construção presentes em diferentes espécies. O precursor mineral surpresa, o carbonato de cálcio hemi-hidratado (CCHH), e outro bloco de construção (monohidrocalcita, ou MHC) foram encontrados em corais e moluscos. Mas o CCHH e o MHC só apareceram em pequenas quantidades nos espinhos dos ouriços-do-mar – sugerindo que diferentes animais adotam abordagens diferentes à biomineralização.
Os pesquisadores fizeram a descoberta usando a Advanced Light Source (ALS), um acelerador circular de partículas que produz intensos feixes de luz. O ALS pode atuar como um microscópio poderoso, fornecendo informações sobre a estrutura atômica e química das amostras. Os cientistas usaram duas técnicas diferentes para estudar a superfície dos materiais e a sua composição química, revelando os minerais inesperados, bem como a variedade de blocos de construção.
“É tremendamente complicado realizar esses experimentos porque temos que analisar as amostras imediatamente, enquanto elas estão frescas, para ver os precursores à medida que os biominerais estão se formando”, disse Gilbert.
“Se esperarmos apenas um dia, perderemos essas fases que existem apenas transitoriamente. No Berkeley Lab, temos essa capacidade única onde podemos preparar as amostras no local e depois ter acesso a este fantástico feixe e microscópios que são os melhores do mercado. mundo e nos dar a resolução em nanoescala e a sensibilidade de profundidade que precisamos."
Para estudar partículas minerais neste nível minúsculo, os pesquisadores também desenvolveram um novo método chamado “Mapeamento Miríade”. A técnica permite visualizar todos os diferentes tipos e concentrações relativas de minerais em uma imagem; os métodos anteriores limitavam os pesquisadores a apenas três tipos de minerais. A abordagem também pode ter aplicações em outros campos que vão desde a escala atômica até a cósmica.
Gilbert e seus colaboradores têm pesquisas em andamento que analisam como o aumento da acidez da água do oceano afeta a forma como as criaturas marinhas produzem biominerais. Compreender o processo é fundamental para prever como a vida marinha responderá às mudanças ambientais, como oceanos mais ácidos causados pelas alterações climáticas.
