Científicos han descubierto la fórmula que la naturaleza emplea para la increíble fuerza y resistencia observada en el nácar, un biomaterial que forma la concha de algunos moluscos.
En un nuevo estudio publicado en Nature Physics, investigadores del B CUBE - Centro de Bioingeniería Molecular en TU Dresden y European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) - en Grenoble describen, por primera vez, que los defectos estructurales en el nácar autoensamblado atraen y cancelan unos a otros, lo que eventualmente conduce a una estructura periódica perfecta.
La fuerza y belleza del nácar, también conocido como madreperla, proviene de su arquitectura notablemente regular y uniforme. Hasta ahora, no estaba claro cómo esta intrincada estructura podría ser construida por una multitud de células individuales, todas secretando materiales en diferentes lugares al mismo tiempo.
Los moluscos construyen conchas para proteger sus tejidos blandos de los depredadores. El nácar tiene una estructura intrincada y 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 altamente 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 de extrañar que la estructura temprana del nácar no sea 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, con orientación diestra o zurda", dice en un comunicado el doctor Igor Zlotnikov, líder del grupo de investigación. "Nunca se ha establecido el papel de estos defectos en la formación de un tejido tan periódico. Por otro lado, el nácar maduro está libre de defectos, con una estructura regular y 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 con el tiempo.
"El nácar es una estructura extremadamente fina, con características orgánicas por debajo de los 50 nm de tamaño. Beamline ID16A en el ESRF nos brindó una capacidad sin precedentes para visualizar nácar en tres dimensiones", explica Zlotnikov. "La combinación de plaquetas inorgánicas densas en electrones y altamente 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 doctor Pacureanu del grupo de Nanoprobe de rayos X del ESRF.
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 esta manera, 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 encontraron y se anularon entre sí. Estos eventos llevaron a una sincronización de todo el tejido. Con el tiempo, 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.
