In un nuovo studio pubblicato su Fisica della natura , i ricercatori del B CUBE-Center for Molecular Bioengineering della TU Dresden e dell'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) di Grenoble descrivono, per la prima volta, che i difetti strutturali della madreperla autoassemblante si attraggono e si annullano a vicenda, portando infine a una perfetta struttura periodica.

I molluschi costruiscono conchiglie per proteggere i loro tessuti molli dai predatori. Madreperla, conosciuta anche come la madreperla, ha un intricato, struttura altamente regolare che lo rende un materiale incredibilmente resistente. A seconda della specie, le madreperle possono raggiungere decine di centimetri di lunghezza. Non importa la dimensione, ogni madreperla è costruita con materiali depositati da una moltitudine di singole celle in più luoghi diversi contemporaneamente. Finora non era noto come esattamente questa struttura altamente periodica e uniforme emerga dal disordine iniziale.

La formazione della madreperla inizia in modo non coordinato con le cellule che depositano il materiale contemporaneamente in luoghi diversi. Non sorprendentemente, la prima struttura in madreperla non è molto regolare. A questo punto, è pieno di difetti. "All'inizio, il tessuto minerale-organico stratificato è ricco di faglie strutturali che si propagano attraverso più strati come un'elica. Infatti, sembrano una scala a chiocciola, con orientamento destrorso o mancino, " dice il dottor Igor Zlotnikov, capogruppo di ricerca presso il B CUBE—Center for Molecular Bioengineering presso TU Dresden. "Il ruolo di questi difetti nella formazione di un tessuto così periodico non è mai stato stabilito. D'altra parte, la madreperla matura è priva di difetti, con regolare, struttura uniforme. Come potrebbe emergere la perfezione da un tale disordine?"

I ricercatori del gruppo Zlotnikov hanno collaborato con l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) di Grenoble per dare uno sguardo molto dettagliato alla struttura interna della madreperla precoce e matura. Utilizzando la nanotomografia a raggi X olografica basata sul sincrotrone, i ricercatori hanno potuto catturare la crescita della madreperla nel tempo. "La madreperla è una struttura estremamente fine, aventi caratteristiche organiche inferiori a 50 nm di dimensione. Beamline ID16A all'ESRF ci ha fornito una capacità senza precedenti di visualizzare la madreperla in tre dimensioni, " spiega il Dr. Zlotnikov. "La combinazione di piastrine inorganiche dense di elettroni e altamente periodiche con interfacce organiche delicate e sottili rende la madreperla una struttura impegnativa per l'immagine. L'imaging criogenico ci ha aiutato a ottenere il potere risolutivo di cui avevamo bisogno, " spiega il dott. Pacureanu del gruppo Nanoprobe a raggi X presso l'ESRF.

L'analisi dei dati è stata una vera sfida. I ricercatori hanno sviluppato un algoritmo di segmentazione utilizzando le reti neurali e lo hanno addestrato a separare diversi strati di madreperla. In questo modo, sono stati in grado di seguire ciò che accade ai difetti strutturali man mano che la madreperla cresce.

Il comportamento dei difetti strutturali in una madreperla in crescita è stato sorprendente. Difetti della direzione opposta della vite sono stati attratti l'uno dall'altro da grandi distanze. I difetti destrorsi e mancini si sono mossi attraverso la struttura, finché non si sono incontrati, e si cancellarono a vicenda. Questi eventi hanno portato a una sincronizzazione a livello di tessuto. Col tempo, ha permesso alla struttura di svilupparsi in maniera perfettamente regolare e priva di difetti.

Strutture periodiche simili alla madreperla sono prodotte da molte specie animali diverse. I ricercatori pensano che il meccanismo appena scoperto potrebbe guidare non solo la formazione di madreperla ma anche altre strutture biogene.