updated 2:03 PM CEST, Jun 25, 2017

Implantes dentales más resistentes inspirados por el erizo de mar

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espículas del erizo de mar

Proteína de erizo de mar proporciona ideas sobre el auto-ensamblaje de estructuras esqueléticas

El carbonato de calcio, o CaCO3, comprende más del 4% de la corteza terrestre. Sus formas naturales más comunes son la tiza, la caliza y el mármol, producidos por la sedimentación durante millones de años de las conchas de pequeños caracoles fosilizados, mariscos y coral.

Los investigadores del Colegío de Odontología de la Universidad de Nueva York (NYU Dentistry) están estudiando cómo crea la naturaleza materiales tridimensionales de CaCO3 inorgánicos/orgánicos para formar conchas marinas, exoesqueletos de invertebrados, huesos de vertebrados, dentina y esmalte.

John Evans, DMD, PhD, un profesor del Departamento de Ciencias Básicas y Biología Craneofacial de la Universidad de Nueva York, supervisa un grupo de investigación que se centra en el estudio de proteínas que modulan la formación de biominerales, que a su vez crean nuevos materiales compuestos con propiedades únicas, como la resistencia a la fracturación y a la punción.

En un artículo recientemente publicado en Biochemistry, Gaurav Jain, un post-doctorado en el laboratorio del Dr. Evans y coautor del artículo, observó cómo está organizada la matriz de CaCO3 dentro de una espícula de erizo de mar (véase la figura de abajo). Al principio, estas espículas son nada más que tiza, pero cuando se combinan con proteínas de erizo de mar, forman minúsculas pilas de "ladrillos", creando una estructura que proporciona algunas de las más duras defensas contra los depredadores y las duras condiciones del océano.

"Las células mesenquimatosas primarias (CPM) dentro de un embrión de erizo de mar depositan CaCO3 amorfo dentro de la matriz de proteínas de espículas donde se forman estos ladrillos en capas de cristales de carbonato de calcio", señala el Dr. Jain. "Sin embargo, no están claras las capacidades funcionales y de ensamblaje de las proteínas individuales de la matriz de espículas, estamos investigando una de esas proteínas encontradas dentro de las espículas de un embrión de erizo de mar para entender lo que hace a estas proteínas tan eficientes 'organizadores de ladrillos'".

proteína en la espícula del erizo de mar

Los investigadores examinaron la SM50, una de las proteínas más abundantes y bien estudiadas que se encuentran dentro de estas espículas. Se encontró que una versión recombinante de la proteína SM50, rSpSM50, es una proteína altamente propensa a la agregación que forma pequeñas estructuras similares a gelatinas llamadas hidrogeles en solución. Estas "gelatinas" captan pequeñas nanopartículas minerales y las organizan en "ladrillos" cristalinos. Además, rSpSM50 provoca la textura superficial y forma canales porosos aleatoriamente interconectados dentro de estos cristales.

"Lo que es único en rSpSM50 es que fomenta la formación y organización de dos formas diferentes de carbonato de calcio - calcita y vaterita dentro de las mismas "gelatinas", lo que induce resistencia a la fractura de la estructura general", dijo el Dr. Jain.

Los investigadores utilizaron un tipo específico de método de valoración que reveló los detalles sobre los acontecimientos muy tempranos en la formación de las espículas.

"El rSpSM50 resulta ser una pieza realmente importante del rompecabezas, ya que ralentiza la cinética de formación, pero no estabiliza ni desestabiliza las partículas minerales extremadamente diminutas que en última instancia forman estos ladrillos", dice el coautor Martin Pendola, PhD.

CaCO3 siempre ha sido el material de construcción favorito del hombre para fabricar herramientas primitivas, instrumentos musicales y mercancías de artesanía desde el comienzo de la civilización. En los tiempos modernos, CaCO3 es el mineral más utilizado en las industrias del papel, plásticos, pinturas y recubrimientos, tanto como relleno - debido a su color blanco especial - como pigmento de recubrimiento.

"Nuestra investigación actual, financiada por el Departamento de Energía de Estados Unidos, permitirá a los científicos comprender mejor el proceso de mineralización y ensamblaje crucial para la formación de espinas en el erizo de mar", dijo el Dr. Evans. "Nuestra meta final es determinar las propiedades moleculares de estas proteínas que permiten que las matrices ensamblen, mineralizan, y participen en la formación de estructuras esqueléticas orgánicas/inorgánicas que ocurren naturalmente.

La esperanza es que el conocimiento comprensivo de las proteínas de la espícula permitirá el desarrollo de materiales sintonizables resistentes a la fractura que un día encontrarán su uso en el desarrollo de armaduras ligeras y compuestos dentales más resistentes.

Artículo científico: A Model Sea Urchin Spicule Matrix Protein, rSpSM50, Is a Hydrogelator That Modifies and Organizes the Mineralization Process

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