Carbonato di calcio, o CaCO3, comprende più del 4% della crosta terrestre. Le sue forme naturali più comuni sono il gesso, calcare, e marmo, prodotta dalla sedimentazione dei gusci di piccole lumache fossilizzate, crostacei, e corallo per milioni di anni.

I ricercatori del New York University College of Dentistry (NYU Dentistry) stanno studiando come la natura crea materiali tridimensionali a base di CaCO3 inorganico/organico per formare conchiglie, esoscheletri di invertebrati, e ossa vertebrate, dentina, e smalto.

John Evans, DMD, dottorato di ricerca, un professore nel Dipartimento di Scienze di Base e Biologia Craniofacciale della NYU Dentistry, supervisiona un gruppo di ricerca focalizzato sullo studio delle proteine ​​che modulano la formazione dei biominerali, che a loro volta creano nuovi materiali compositi con proprietà uniche, come una maggiore resistenza alla frattura e alla perforazione.

In un articolo recentemente pubblicato su Biochimica , Gaurav Jain, dottorato di ricerca, un postdoc nel laboratorio del Dr. Evans e coautore di "A model sea urchin spicule matrix protein, rSpSM50, è un idrogelatore che modifica e organizza il processo di mineralizzazione, " ha osservato come è organizzata la matrice di CaCO3 all'interno di una spicola di riccio di mare (Vedi figura 1). queste spicole non sono altro che gesso, ma se combinato con le proteine ​​del riccio di mare, formano minuscole pile di "mattoni, " creare una struttura che fornisce alcune delle difese più dure contro i predatori e le dure condizioni oceaniche.

"Le cellule del mesenchima primario (PMC) all'interno di un embrione di riccio di mare depositano CaCO3 amorfo all'interno della matrice delle proteine ​​spicole dove questi mattoni sono modellati in strati di cristalli di carbonato di calcio, " nota il dottor Jain. "Tuttavia, le capacità funzionali e di assemblaggio delle singole proteine ​​della matrice delle spicole non sono chiare. Attualmente stiamo studiando una di queste proteine ​​che si trova all'interno delle spicole di un embrione di riccio di mare per capire cosa rende queste proteine ​​così efficienti come "organizzatori di mattoni".

I ricercatori hanno esaminato SM50, una delle proteine ​​più abbondanti e ben studiate che si trova all'interno di queste spicole. Hanno scoperto che una versione ricombinante della proteina SM50, rSpSM50, è una proteina altamente incline all'aggregazione che forma minuscole strutture gelatinose chiamate idrogel in soluzione. Queste "gelatine" catturano minuscole nanoparticelle minerali e le organizzano in "mattoni" cristallini. Inoltre, rSpSM50 provoca la tessitura superficiale e forma canali porosi casualmente interconnessi all'interno di questi cristalli.

"Ciò che rende unico rSpSM50 è che favorisce la formazione e l'organizzazione di due diverse forme di carbonato di calcio:calcite e vaterite all'interno delle stesse "gelatine", inducendo resistenza alla frattura alla struttura complessiva, " ha detto il dottor Jain.

I ricercatori hanno utilizzato un tipo specifico di metodo di titolazione che ha rivelato i dettagli su eventi molto precoci nella formazione delle spicole.

"rSpSM50 risulta essere un pezzo davvero importante del puzzle, poiché rallenta la cinetica di formazione ma non stabilizza né destabilizza le minuscole particelle minerali che alla fine formano questi mattoni, " afferma il coautore Martin Pendola, dottorato di ricerca.

CaCo3 è sempre stato il materiale da costruzione preferito dall'uomo per realizzare strumenti primitivi, strumenti musicali, e artigianato fin dall'inizio della civiltà. Nei tempi moderni, CaCO3 è il minerale più utilizzato nella carta, plastica, industrie di vernici e rivestimenti sia come riempitivo, sia grazie al suo speciale colore bianco, come pigmento di rivestimento.

"La nostra ricerca attuale, finanziato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, consentirà agli scienziati di comprendere meglio il processo di mineralizzazione e assemblaggio cruciale per la formazione di spicole nei ricci di mare, " ha detto il dottor Evans. "Il nostro obiettivo finale è determinare le proprietà molecolari di queste proteine ​​che consentono alle matrici di assemblarsi, mineralizzare, e partecipare alla formazione di strutture scheletriche organiche/inorganiche naturali. La speranza è che la comprensione completa delle proteine ​​spicole consentirà lo sviluppo di materiali sintonizzabili resistenti alla frattura che un giorno troveranno il loro uso nello sviluppo di compositi dentali "armatura" leggeri e "robusti".