全息x射线纳米层析成像揭示了珍珠母如何自我组装成完美的结构

横截面壳结构

透过贝壳的横截面,显示在棱柱状贝壳结构顶部的周期性层状珍珠层。资料来源:Igor Zlotnikov

软体动物造壳是为了保护它们的软组织不受掠食者的伤害。珠母,也被称为珍珠母,有一个复杂的,高度规则的结构,使它成为一种难以置信的坚固材料。珍珠可以长到几十厘米,这取决于其种类。无论大小,每个珍珠层都是由多个不同位置的单个细胞同时沉积的材料制成的。直到现在,人们还不知道这种高度周期性和均匀的结构是如何从最初的无序中出现的。

真珠质的形成开始与细胞在不同位置同时沉积物质不协调。不足为奇的是,早期的珠质结构不是很规则。在这一点上,它充满了缺陷。“一开始,分层的矿物有机组织充满了结构断层,像螺旋一样通过许多层传播。事实上,它们看起来就像一个螺旋楼梯,有右旋方向也有左旋方向,”伊戈尔·兹罗特尼科夫博士说,他是德累斯顿大学分子生物工程B立方中心的研究组长。这些缺陷在形成这样一个周期性组织中的作用还没有被证实。另一方面,成熟的珍珠是没有缺陷的,具有规则,均匀的结构。完美如何从这样的混乱中产生?”

x射线Nano-Tomography Beamline

ESRF全息x射线纳米层析成像束线(ID16A)端站。资料来源:Igor Zlotnikov

来自Zlotnikov小组的研究人员与位于格勒诺布尔的欧洲同步辐射设施(ESRF)合作,对早期和成熟珍珠层的内部结构进行了非常详细的研究。利用基于同步加速器的全息x射线纳米层析成像技术,研究人员可以捕捉到珍珠层随着时间的增长。“珍珠层是一种极其精细的结构,其有机特征在50纳米以下。ESRF的波束线ID16A为我们提供了前所未有的三维真珠质可视化能力,”Zlotnikov博士解释说。“电子密度和高度周期性的无机薄片与精致和纤细的有机界面的结合,使珍珠层成为一个具有挑战性的结构成像。”低温成像帮助我们获得了所需的分辨率,”ESRF x射线纳米探针组的Pacureanu博士解释道。

数据分析是一个很大的挑战。研究人员开发了一种使用神经网络的分割算法,并训练它来分离不同的珍珠层。通过这种方式,他们能够跟踪随着珍珠层生长的结构缺陷发生了什么。

生长中的珍珠层结构缺陷的行为令人惊讶。相反螺旋方向的缺陷会在很远的距离上相互吸引。右撇子和左撇子的缺陷在结构中移动,直到它们相遇,并相互抵消。这些事件导致了全组织的同步。随着时间的推移,它使结构发展成一个完美的规则和无缺陷。

与珍珠层类似的周期性结构由许多不同的动物产生。研究人员认为,新发现的机制不仅可以推动珍珠层的形成,还可以推动其他生物结构的形成。

参考:Maksim Beliaev, Dana Zollner, Alexandra Pacureanu, Paul Zaslansky和Igor Zlotnikov的《形成周期组织中的拓扑缺陷动力学和结构同步》,2021年1月4日,自然物理
DOI: 10.1038 / s41567 - 020 - 01069 - z

Igor Zlotnikov博士是德累斯顿大学B CUBE多学科小组的负责人。这个小组研究物质物理和细胞控制之间的相互作用。兹洛特尼科夫小组采用了来自生命和物理科学大范围领域的最先进的技术,以解决自然界如何使用热力学原理生成复杂结构的基本问题。该组织由联邦教育和研究部(BMBF;格兰特03 z22en11)。

B立方——分子生物工程中心成立,作为德国联邦教育和研究部“地下区域”的创新能力中心。它是分子和细胞生物工程中心(CMCB)的一部分。B CUBE的研究重点是在分子水平上研究生命结构,将随后的知识转化为创新的方法、材料和技术。

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