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

Diep binnen de schelpen van zeedieren en de stekels van zee-egels ligt een wereld van ingewikkelde techniek die het menselijk oog niet kan zien. Deze natuurlijke structuren, bekend als biomaterialen, zijn niet zomaar eenvoudige stenen; het zijn complexe composieten waarbij harde, anorganische kristallen samengroeien met zachte, organische moleculen zoals eiwitten en pigmenten. Decennialang hebben wetenschappers begrepen dat deze organische componenten fungeren als een soort interne architectuur, die bepaalt hoe de kristallen groeien en hen hun unieke sterkte en kleur geeft. Echter, er is een aanzienlijk gat in onze kennis gebleven: hoewel we de grootschalige structuur van deze materialen kunnen zien, hebben we moeite gehad om precies in kaart te brengen waar de minuscule organische moleculen zich op de nanometerschaal binnen het kristalrooster bevinden. Zonder deze driedimensionale kaart blijft de precieze relatie tussen de levende organisme en het mineraal dat het bouwt, een mysterie.

Een team van onderzoekers heeft nu een belangrijke stap gezet om dit gat te dichten door een krachtig beeldvormingsinstrument genaamd atomprobetomografie te gebruiken om in de paarse stekels van een zee-egel te kijken. Deze soort, bekend als Sphaerechinus granularis, heeft stekels die wit zijn aan de uiteinden maar dieppaars worden bij de basis. Die kleur komt door specifieke organische moleculen genaamd spinochromen, die gevangen raken tijdens de groei van het kristal. De wetenschappers wilden ontdekken hoe deze pigmentmoleculen precies zijn gerangschikt binnen het mineraal en hoe ze interageren met de omringende atomen. Hiervoor moesten ze een grote hindernis overwinnen: wanneer deze organische moleculen worden blootgesteld aan de intense elektrische velden die nodig zijn voor de analyse, hebben ze de neiging om uiteen te vallen in kleine fragmenten, wat het moeilijk maakt om te identificeren wat het oorspronkelijke molecuul was.

Om dit puzzelstukje op te lossen, creëerden de onderzoekers eerst een gecontroleerde testomgeving. Ze kweekten synthetische kristallen van calciumcarbonaat, hetzelfde materiaal waaruit de stekel van de zee-egel bestaat, en voegden daar doelbewust de paarse pigmentmoleculen aan toe. Door deze synthetische monsters naast de echte zee-egelstekels te analyseren, konden ze de resultaten vergelijken en identificeren welke signalen afkomstig waren van het pigment en welke van het mineraal zelf. Ze ontdekten dat de paarse kleur in de zee-egel inderdaad wordt veroorzaakt door een specifiek molecuul genaamd spinochrome A. Toen ze de echte stekels analyseerden, ontdekten ze dat dit molecuul gelijkmatig over de paarse gebieden is verdeeld, in plaats van samen te klonteren in geïsoleerde plekken.

De meest significante bevinding betreft echter de vraag hoe deze pigmentmoleculen op hun plaats worden gehouden. De onderzoekers ontdekten dat de spinochrome A-moleculen niet zomaar willekeurig in het kristal zweven; ze zijn sterk geassocieerd met magnesiumatomen, een ander element dat van nature aanwezig is in de stekel van de zee-egel. Met behulp van een nieuwe methode van data-analyse, die ionen volgt die gelijktijdig en in nauwe nabijheid van elkaar worden gedetecteerd, toonden de onderzoekers aan dat de fragmenten van het pigmentmolecuul en de magnesiumatomen veel vaker samen voorkomen dan op basis van toeval zou gebeuren. Dit suggereert dat het pigment direct bindt aan het magnesium binnen de kristalstructuur. In tegenstelling hiertoe vertonen andere elementen die in de stekel worden gevonden, zoals lithium, niet dezezelfde verbinding en bevinden zij zich in andere gebieden, voornamelijk in de witte, ongepigmenteerde uiteinden van de stekels.

Dit werk demonstreert dat het mogelijk is om specifieke organische moleculen binnen een hard mineraal te identificeren en hun locatie in drie dimensies in kaart te brengen, zelfs wanneer die moleculen uiteenvallen tijdens de analyse. Door nieuwe manieren te ontwikkelen om de data te filteren en te zoeken naar patronen in hoe de fragmenten samen verschijnen, waren de onderzoekers in staat om de aanwezigheid van het pigment en de relatie met de bouwstenen van het mineraal te reconstrueren. Deze aanpak biedt een nieuwe manier om te begrijpen hoe levende wezens hun harde onderdelen bouwen, waarbij de verborgen chemische gesprekken tussen organische moleculen en anorganische kristallen worden onthuld die de natuurlijke wereld vormgeven.