Carbonate de calcium, ou CaCO3, constitue plus de 4 % de la croûte terrestre. Ses formes naturelles les plus courantes sont la craie, calcaire, et marbre, produit par la sédimentation des coquilles de petits escargots fossilisés, fruits de mer, et le corail sur des millions d'années.

Des chercheurs du New York University College of Dentistry (NYU Dentistry) étudient comment la nature crée des matériaux tridimensionnels à base de CaCO3 inorganique/organique pour former des coquillages, exosquelettes d'invertébrés, et des os de vertébrés, dentine, et émail.

John Evans, DMD, Doctorat, professeur au Département des sciences fondamentales et de la biologie craniofaciale de la NYU Dentistry, dirige un groupe de recherche axé sur l'étude des protéines qui modulent la formation des biominéraux, qui à leur tour créent de nouveaux matériaux composites aux propriétés uniques, telles que des résistances accrues à la rupture et à la perforation.

Dans un article récemment publié dans Biochimie , Gaurav Jain, Doctorat, un post-doctorant dans le laboratoire du Dr Evans et co-auteur de "A model sea urchin spicule matrix protein, rSpSM50, est un hydrogélateur qui modifie et organise le processus de minéralisation, " a examiné comment la matrice CaCO3 est organisée à l'intérieur d'un spicule d'oursin (Voir figure 1). Dans un premier temps, ces spicules ne sont que de la craie, mais lorsqu'il est combiné avec des protéines d'oursin, ils forment de minuscules tas de « briques, " créant une structure qui offre l'une des défenses les plus solides contre les prédateurs et les conditions océaniques difficiles.

"Les cellules primaires du mésenchyme (PMC) à l'intérieur d'un embryon d'oursin déposent du CaCO3 amorphe dans la matrice de protéines de spicule où ces briques sont façonnées en couches de cristaux de carbonate de calcium, " note le Dr Jain. " Cependant, les capacités fonctionnelles et d'assemblage des protéines matricielles de spicules individuelles ne sont pas claires. Nous étudions actuellement l'une de ces protéines trouvées à l'intérieur des spicules d'un embryon d'oursin pour comprendre ce qui rend ces protéines des « organisateurs de briques » si efficaces. »

Les chercheurs ont examiné SM50, l'une des protéines les plus abondantes et les mieux étudiées trouvées à l'intérieur de ces spicules. Ils ont découvert qu'une version recombinante de la protéine SM50, rSpSM50, est une protéine très sujette à l'agrégation qui forme de minuscules structures ressemblant à de la gelée appelées hydrogels en solution. Ces « gelées » capturent de minuscules nanoparticules minérales et les organisent en « briques » cristallines. De plus, rSpSM50 provoque une texturation de surface et forme des canaux poreux interconnectés de manière aléatoire au sein de ces cristaux.

"Ce qui est unique à propos de rSpSM50, c'est qu'il favorise la formation et l'organisation de deux formes différentes de carbonate de calcium - la calcite et la vatérite au sein des 'gelées' elles-mêmes, induire une résistance à la rupture de la structure globale, " a déclaré le Dr Jain.

Les chercheurs ont utilisé un type spécifique de méthode de titrage qui a révélé les détails des événements très précoces de la formation des spicules.

"rSpSM50 s'avère être une pièce très importante du puzzle, car il ralentit la cinétique de formation mais ne stabilise ni ne déstabilise les particules minérales extrêmement fines qui finissent par former ces briques, " dit le co-auteur Martin Pendola, Doctorat.

Le CaCo3 a toujours été le matériau de construction préféré de l'homme pour fabriquer des outils primitifs, instruments de musique, et de l'artisanat depuis le début de la civilisation. Dans les temps modernes, CaCO3 est le minéral le plus largement utilisé dans le papier, plastiques, les industries des peintures et des revêtements à la fois en tant que charge - et en raison de sa couleur blanche spéciale - en tant que pigment de revêtement.

« Nos recherches actuelles, financé par le département américain de l'Énergie, permettra aux scientifiques de mieux comprendre le processus de minéralisation et d'assemblage essentiel à la formation des spicules chez l'oursin, " a déclaré le Dr Evans. " Notre objectif ultime est de déterminer les propriétés moléculaires de ces protéines qui permettent aux matrices de s'assembler, minéraliser, et participent à la formation de structures squelettiques organiques/inorganiques naturelles. L'espoir est que la compréhension globale des protéines des spicules permettra le développement de matériaux réglables résistants aux fractures qui trouveront un jour leur utilisation dans le développement de composites dentaires légers « blindés » et « plus robustes ».