Tecnologia Científica

Os cientistas descobrem como a madrepérola se monta em uma estrutura perfeita
Os moluscos constroem conchas para proteger seus tecidos moles dos predadores. Nacre, também conhecida como a madrepérola, tem uma intrincada, altamente regular estrutura que o torna um material extremamente forte.
Por Universidade de Tecnologia de Dresden - 04/01/2021


Um corte transversal através de uma concha mostrando o nácar periodicamente em camadas no topo de uma estrutura de concha prismática. Crédito: © Igor Zlotnikov

Em um novo estudo publicado na Nature Physics , pesquisadores do B CUBE — Center for Molecular Bioengineering em TU Dresden e European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) em Grenoble descrevem, pela primeira vez, que defeitos estruturais em nácar de automontagem atraem e cancelam uns aos outros, levando a uma estrutura periódica perfeita.

Os moluscos constroem conchas para proteger seus tecidos moles dos predadores. Nacre, também conhecida como a madrepérola, tem uma intrincada, altamente regular estrutura que o torna um material extremamente 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 desconhecido até agora.

A formação do nácar começa descoordenada com as células depositando o material simultaneamente em diferentes locais. Não é de surpreender que a estrutura do nácar inicial não seja muito regular. Neste ponto, está cheio de defeitos. "No início, o tecido mineral-orgânico em camadas está cheio de falhas estruturais que se propagam através de várias camadas como uma hélice. Na verdade, eles se parecem com uma escada em espiral, com orientação para destros ou canhotos," diz o Dr. Igor Zlotnikov, líder do grupo de pesquisa no B CUBE - Centro de Bioengenharia Molecular da 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 uma estrutura regular e uniforme. Como a perfeição poderia emergir dessa desordem?"

Os pesquisadores do grupo Zlotnikov colaboraram com a European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) em Grenoble para dar uma olhada muito 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. "O nácar é uma estrutura extremamente fina, com características orgânicas abaixo de 50 nm de tamanho. O Beamline ID16A no ESRF nos forneceu uma capacidade sem precedentes de visualizar o nácar em três dimensões", explica o Dr. Zlotnikov. "A combinação de plaquetas inorgânicas densas e altamente periódicas de elétrons 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.

A estação final na linha de luz holográfica de nanotomografia de raios-X (ID16A)
no ESRF. Crédito: © Igor Zlotnikov

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. Dessa forma, eles puderam 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 de grandes distâncias. Os defeitos da mão direita e da mão esquerda se moveram pela estrutura, até que se encontraram e se cancelaram. Esses eventos levaram a uma sincronização em todo o tecido. Com o tempo, permitiu que a estrutura se desenvolvesse em uma 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 só a formação do nácar, mas também de outras estruturas biogênicas.

 

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