Biométaux : d’anciens vers marins détiennent les secrets de nouveaux matériaux étranges

Perinereis cultrifera possède des mâchoires qui brouillent les frontières entre la biologie et le métal. Constitués de protéines et d’ions métalliques, les outils de morsure des anciens vers marins se durcissaient vers la pointe et étaient souvent associés au cuivre ou à l’argent.

des chercheurs TU Vienne et Université de Vienne a enquêté sur ces mécanismes extraordinaires Examen de la biophysique. Leurs travaux soutiennent une catégorie proposée appelée « biométaux », qui décrit des matériaux naturels combinant une structure de type polymère avec une rigidité et une déformabilité semblables à celles du métal.

Ce terme est plus spécifique que des étiquettes telles que « biomatériaux de type métal ». Les chercheurs pensent que les biométaux doivent être jugés sur trois propriétés : la dureté, les propriétés de traction et la structure ion-protéine.

Le ver prédateur Perinereis culrifera, qui a survécu jusqu’à ce jour, vous propose une expérience utile. Ses mâchoires contiennent des protéines structurelles compatibles avec les ions métalliques. Les vers les utilisent pour mordre, écraser et manger.

L’équipe a étudié une mâchoire au milieu, pas seulement la surface extérieure. Ils ont testé 11 régions centrales et apicales.

À l’aide d’un nanoindenteur, les chercheurs ont enfoncé une petite sonde dans le matériau à six profondeurs différentes. Cette technique crée des indentations microscopiques et mesure la force avec laquelle l’échantillon y résiste.

L’analyse chimique et l’imagerie ont montré que les concentrations d’ions métalliques étaient similaires conseils de menton que le centre. Cette tendance confirme les observations précédentes et peut expliquer pourquoi les recommandations sont plus difficiles.

Les mâchoires n’étaient pas uniformément rigides quel que soit le poids. Les empreintes peu profondes ont plus de résistance que les empreintes profondes, ce qui signifie que les zones présentant de petits défis semblent plus difficiles.

Ce comportement correspond à l’effet d’échelle de nanoindentation Nix-Gao communément associé aux métaux cristallins. Selon cette relation, la dureté quadratique augmente avec la diminution de la profondeur d’indentation.

Le cuivre et l’argent peuvent présenter le même motif. Dans ces matériaux, l’effet est généralement associé à des dislocations, qui sont des irrégularités linéaires au sein du réseau atomique.

Les mâchoires des vers n’ont pas la cage à cristaux métalliques habituelle. Au lieu de cela, sa structure est constituée de protéines régulées par des ions. Cependant, sa dureté obéit à la même loi proportionnelle dans les régions centrales et pointes.

Les résultats renforcent la preuve que la plasticité par gradient de déformation opère également dans ce matériau biologique. La déformation décrit comment un matériau change de forme en raison de la force. Le gradient spatial décrit comment cette déformation évolue dans l’espace.

À de très petites profondeurs d’indentation, la déformation change brusquement sur de courtes distances. Il augmente la résistance à la déformation et rend la pièce testée plus rigide.

Cette découverte est particulièrement importante car l’effet Nix-Gao est largement considéré comme un élément clé métaux cristallins. La détection de cela par des mâchoires à base de protéines suggère qu’un comportement mécanique similaire peut résulter de structures microscopiques très différentes.

Les chercheurs ne se sont pas arrêtés. Leurs mesures ont révélé des changements d’élasticité dépendant de la taille.

“Les mâchoires du ver poilu présentent une plasticité dépendante de la taille – une caractéristique distinctive des biométaux par rapport aux métaux cristallins standards tels que le cuivre et l’argent”, a déclaré l’auteur principal Christian Hellmich.

L’élasticité décrit la façon dont un matériau se déforme puis reprend sa forme originale. Cette réponse des mâchoires du ver poilu variait en fonction de la taille de la zone examinée.

Le cuivre et l’argent peuvent présenter un certain degré de dureté, mais pas le motif malléable décrit dans les mâchoires. Cette différence permet de séparer les biométaux des métaux cristallins ordinaires.

Pour expliquer l’effet élastique, l’équipe a utilisé une modélisation mathématique basée sur la « micromécanique multidimensionnelle ». Ce cadre combine de petites forces structurelles avec de grandes réponses mécaniques des matériaux.

Les chercheurs ont examiné le pouvoir de focalisation du microscope Force Peach-Koehler. Ces forces sont associées à des plis ressemblant à des dislocations au sein de la matrice protéique coordonnée par les ions.

De par leur conception, ces plis peuvent créer des dégradés suffisamment importants pour affecter le matériau à l’échelle montrée dans l’expérience. Les résultats suggèrent une explication théorique de la raison pour laquelle la ductilité change avec la profondeur d’indentation.

Ce travail relie les trois parties de la définition proposée du biométal. Les mâchoires combinent une rigidité extraordinaire, une mécanique d’étirement dépendant de la taille et une structure protéique régulée par les ions.

La classification ne signifie pas que les mâchoires sont en métal normal. Au lieu de cela, il reconnaît un mélange de fonctionnalités qui ne correspondent pas à l’ancienne description.

Cette distinction est importante car « comme le métal biomatériaux” peut décrire au sens large des substances naturelles ayant une résistance ou une conductivité électrique semblable à celle du métal. Le concept biométallique ajoute des exigences structurelles et mécaniques.

Les fossiles proviennent d’une seule mâchoire appartenant à une seule espèce. L’équipe prévoit de tester davantage de broussailles et d’élargir la base de données expérimentale.

Un échantillon plus grand peut montrer si les espèces ont la même dureté et la même flexibilité. Cela contribuera également à affiner le cadre théorique derrière la classification proposée.

“Nous prévoyons d’élargir la base de données expérimentale en affinant les concepts théoriques, en effectuant des calculs dédiés et, ce qui est peut-être le plus intéressant, en explorant le lien entre l’interférence génétique et l’espace de conception des matériaux associés”, a déclaré Helmich.

“Tout cela s’accompagne d’un véritable enthousiasme pour la beauté, l’élégance et le raffinement de la nature.”

Les travaux de génétique proposés soulèvent une autre question : la variation génétique peut-elle modifier la structure de la mâchoire ? comportement mécanique.

Actuellement, la recherche fournit une base expérimentale plus spécifique pour traiter ces mâchoires comme des matériaux différents. Leur combinaison de propriétés polymères et métalliques les rend inhabituels en biologie et en science des matériaux.

Une identification plus précise des biométaux aidera les biophysiciens à comparer les matériaux naturels qui utilisent des ions pour renforcer les structures protéiques. Cela pourrait orienter la recherche sur la manière dont la rigidité et l’élasticité sont produites sans les treillis métalliques conventionnels.

Tester davantage d’éléments peut vous aider à déterminer quelles fonctionnalités sont répandues et lesquelles sont spécifiques. certains vers. Ces comparaisons aideront à affiner les modèles de déformation, de déformation et d’organisation ion-protéine.

Cette étude fournit un cadre pour étudier comment la variation génétique peut affecter les propriétés des matériaux. De tels travaux pourraient élargir les domaines émergents de la biophysique et de la bio-ingénierie, tout en élucidant comment les organismes vivants contrôlent au microscope la structure des tissus solides.