Objev vzácných kovů v živém organismu poprvé

Vzácné minerály z hornin nalezené v zubech měkkýšů

Northwestern University Vědci poprvé objevili vzácný minerál ukrytý v zubech chitonu, velký měkkýš nalezený podél skalnatého pobřeží. Před tímto podivným překvapením byl minerál železa zvaný santabarbarait dokumentován pouze ve skalách.

Nový objev pomáhá porozumět tomu, jak je celý ketonový zub – nejen jeho supertvrdý hrbolek – navržen tak, aby odolal žvýkání kamenů ke krmení. Na základě minerálů v ketonových zubech vyvinuli vědci biologicky inspirovaný inkoust pro 3D tisk ultra tvrdých, pevných a odolných materiálů.

„Tento minerál byl v geologických vzorcích pozorován pouze ve velmi malém množství a dosud nebyl pozorován v biologickém kontextu,“ uvedl Dirk Guester ze společnosti Northwestern, hlavní autor studie. „Má vysoký obsah vody, díky čemuž je silný a má nízkou hustotu. Myslíme si, že by to mohlo posílit zuby, aniž by se přidala příliš velká váha.“

Studie bude zveřejněna tento týden v Sborník Národní akademie věd.

Obraz ketonových zubů v rastrovacím elektronovém mikroskopu.

Joester je docentem materiálových věd a inženýrství na McCormick School of Engineering na Northwestern University a členem Institute for Life Process Chemistry. Linus Stegbauer, bývalý postdoktorand v Joesterově laboratoři, je prvním autorem příspěvku. V Northwestern během výzkumu je Stegbauer nyní hlavním řešitelem v Institutu pro meziprocesové inženýrství a plazmovou technologii na univerzitě ve Stuttgartu v Německu.

Virtuální řez jedním hrotem zubu a horním stylusem, generovaný 3D rekonstrukcí určenou synchrotronovou mikropočítačovou tomografií. Zápočet: Northwestern University

Jedna z nejtvrdších látek v přírodě známých, ketonové zuby, jsou připevněny k měkké, poddajné jazykové louce, která se škrábe po skalách a shromažďuje řasy a další živiny. Po dlouhém studiu chitonových zubů se Joester a jeho tým nedávno obrátili na Cryptochiton stelleri, obrovský červenohnědý chiton, který se někdy láskyplně označuje jako „toulavá sekaná“.

Při zkoumání zubu z Cryptochiton stelleri spolupracoval Joesterův tým s Ercanem Alpem, vedoucím vědeckého týmu Advanced Photon Source v Argonne National Laboratory, na použití Mössbauerovy synchrotronové spektroskopie pro zařízení, stejně jako s Paulem Smeetsem pro použití transmisní elektronové mikroskopie v Northwestern Atomic Nano charakterizace a experiment (NUANCE) střed. Zjistili, že santabarbarit je rozptýlen po celém horním ketonovém peru, což je dlouhá, dutá struktura, která spojuje hlavu zubu s elastickou membránou radiola.

„Stylus je jako kořen lidského zubu, který spojuje špičku našich zubů s naší čelistí,“ řekl Joester. „Je to pevný materiál složený z velmi malých nanočástic ve vláknité matrici vyrobené z biomolekul, podobně jako kosti v našich tělech.“

Skupina Joester si dala za úkol znovu vytvořit tento materiál inkoustem určeným pro 3D tisk. Stegbauer vyvinul reaktivní inkoust obsahující ionty železa a fosfátu smíchané do biopolymeru odvozeného od chitinu. Stegbauer spolu s Shayem Wallaceem, severozápadním postgraduálním studentem v laboratoři Marka Hersama, zjistili, že inkoust se při tisku těsně před tiskem dobře vytiskne.

Ústa a vyčnívající přední konec svalu. Zápočet: Northwestern University

„Když se nanočástice formují do biopolymeru, stanou se silnějšími a viskóznějšími. Tuto směs lze potom snadno použít pro tisk. Následné sušení na vzduchu vede k houževnatému a houževnatému finálnímu materiálu.“

„Mechanické struktury jsou jen tak dobré jako jejich nejslabší článek, takže je zajímavé sledovat, jak keton řeší technický problém, jak připevnit své superodolné zuby k měkkému jádru.“
– Dirk Joster, vědecký pracovník v oblasti materiálů

Joester věří, že se můžeme i nadále učit a vyvíjet materiály inspirované ketonovým perem, které spojuje ultra tvrdé zuby s měkkou radula.

„Chiton nás fascinoval už dlouho,“ řekl. „Mechanické struktury jsou jen tak dobré jako jejich nejslabší článek, takže je zajímavé sledovat, jak keton řeší technický problém, jak spojit své velmi tvrdé zuby s měkkým jádrem. To je v moderní výrobě stále obrovská výzva, takže díváme se na organismy, jako jsou ketony, abychom pochopili, jak se to děje. v přírodě, jejíž vývoj měl několik set milionů let. “

3D tisk biologicky inspirovaných vozidel. Zápočet: Northwestern University

Studie „Ketogenní kontinuální polymorfismus: Od nového biomateriálu po inkousty pro aditivní výrobu“ byla podporována Národní vědeckou nadací (čísla ocenění DMR-1508399 a DMR-1905982) a Národními instituty zdraví (číslo ocenění NIH-DE026952) , laboratoř Air Force Research (číslo zakázky FA8650-15-2-5518) a Deutsche Forschungsgemeinschaft (číslo zakázky STE2689 / 1-1).