Nanoscale identification of organic pigments in biogenic calcite by atom probe tomography

En lo profundo de las conchas de las criaturas marinas y en las espinas de los erizos de mar se encuentra un mundo de ingeniería intrincada que los ojos humanos no pueden ver. Estas estructuras naturales, conocidas como biominerales, no son solo rocas simples; son compuestos complejos donde cristales inorgánicos duros crecen junto con moléculas orgánicas blandas como proteínas y pigmentos. Durante décadas, los científicos han comprendido que estos componentes orgánicos actúan como una especie de arquitectura interna, guiando cómo se forman los cristales y otorgándoles su fuerza y color únicos. Sin embargo, una brecha significativa ha persistido en nuestro conocimiento: aunque podemos ver la estructura a gran escala de estos materiales, nos ha costado mapear exactamente dónde se sitúan las diminutas moléculas orgánicas dentro de la red cristalina a escala nanométrica. Sin este mapa tridimensional, la relación precisa entre el organismo vivo y el mineral que construye sigue siendo un misterio.

Un equipo de investigadores ha dado ahora un paso importante para llenar esta brecha utilizando una poderosa herramienta de imagen llamada tomografía de sonda de átomo para mirar dentro de las espinas púrpuras de un erizo de mar. Esta especie, conocida como Sphaerechinus granularis, tiene espinas que son blancas en las puntas pero que se vuelven de un púrpura intenso en la base. Ese color proviene de moléculas orgánicas específicas llamadas espinocromos, que quedan atrapadas dentro del cristal en crecimiento. Los científicos querían descubrir exactamente cómo están dispuestas estas moléculas de pigmento dentro del mineral y cómo interactúan con los átomos circundantes. Para lograrlo, tuvieron que superar un obstáculo importante: cuando estas moléculas orgánicas se someten a los intensos campos eléctricos necesarios para analizarlas, tienden a romperse en diminutos fragmentos, lo que dificulta identificar cuál era la molécula original.

Para resolver este rompecabezas, los investigadores primero crearon un entorno de prueba controlado. Cultivaron cristales sintéticos de carbonato de calcio, el mismo material que compone la espina del erizo de mar, y añadieron deliberadamente las moléculas de pigmento púrpura a ellos. Al analizar estas muestras sintéticas junto con las espinas reales del erizo de mar, pudieron comparar los resultados e identificar qué señales provenían del pigmento y cuáles del propio mineral. Descubrieron que el color púrpura en el erizo de mar es, de hecho, causado por una molécula específica llamada espinocromo A. Cuando analizaron las espinas reales, encontraron que esta molécula se distribuye uniformemente a través de las regiones púrpuras, en lugar de agruparse en puntos aislados.

El hallazgo más significativo, sin embargo, se refiere a cómo se mantienen en su lugar estas moléculas de pigmento. Los investigadores descubrieron que las moléculas de espinocromo A no están simplemente flotando aleatoriamente dentro del cristal; están fuertemente asociadas con átomos de magnesio, otro elemento naturalmente presente en la espina del erizo de mar. Utilizando un nuevo método de análisis de datos que rastrea iones detectados al mismo tiempo y en estrecha proximidad entre sí, el equipo demostró que los fragmentos de la molécula de pigmento y los átomos de magnesio aparecen juntos con mucha más frecuencia de la que ocurriría por azar. Esto sugiere que el pigmento se une directamente al magnesio dentro de la estructura cristalina. En contraste, otros elementos presentes en la espina, como el litio, no muestran esta misma conexión y se encuentran en áreas diferentes, principalmente en las puntas blancas y no pigmentadas de las espinas.

Este trabajo demuestra que es posible identificar moléculas orgánicas específicas dentro de un mineral duro y mapear su ubicación en tres dimensiones, incluso cuando esas moléculas se rompen durante el análisis. Al desarrollar nuevas formas de filtrar los datos y buscar patrones en cómo aparecen los fragmentos juntos, los investigadores pudieron reconstruir la presencia del pigmento y su relación con los bloques de construcción del mineral. Este enfoque ofrece una nueva forma de entender cómo los seres vivos construyen sus partes duras, revelando las conversaciones químicas ocultas entre las moléculas orgánicas y los cristales inorgánicos que dan forma al mundo natural.