Perinereis cultrifera possui mandíbulas que confundem as fronteiras entre a biologia e o metal. Feitas de proteínas e íons metálicos, as antigas ferramentas para picadas de insetos marinhos são endurecidas nas pontas e se comportam de maneira tipicamente associada ao cobre ou à prata.
Pesquisadores de Universidade Técnica de Viena E Universidade de Viena Entre aqueles testes de mecânica incomuns Revisão de Biofísica. Seu trabalho apóia uma categoria proposta chamada “biometais”, que descreve materiais naturais que combinam estruturas semelhantes a polímeros com rigidez e deformabilidade semelhantes às do metal.
O termo é mais específico do que um rótulo como “biomateriais semelhantes a metais”. Os pesquisadores argumentam que um biometal deve ser julgado por três propriedades: dureza, comportamento de deformação e estrutura íon-proteica.
Perinereis cultrifera, um verme predador que sobrevive até hoje, oferece um caso de teste útil. Suas mandíbulas contêm proteínas estruturais complexadas com íons metálicos. Os insetos os utilizam para morder, moer e comer.
Pontas fortes emergem de uma mandíbula irregular
A equipe estudou uma única mandíbula ao longo de seu plano médio, não apenas na superfície externa. Eles examinaram 11 regiões em suas regiões centrais e de ponta.
Usando nanoindentação, os pesquisadores pressionaram uma pequena sonda no material em seis profundidades diferentes. O método cria marcas microscópicas e mede a resistência da amostra a elas.
Análises químicas e imagens mostraram que as concentrações de íons metálicos eram maiores perto das pontas das mandíbulas do que no centro. Este padrão confirmou observações anteriores e provavelmente explica porque as pontas são difíceis.
As mandíbulas não eram igualmente fortes em cada escala. Os recuos superficiais encontraram mais resistência do que os mais profundos, o que significa que as áreas testadas menores pareciam mais estreitas.
Este comportamento corresponde ao efeito de tamanho da nanoindentação Nix-Gao, uma relação comumente associada a metais cristalinos. Sob essa relação, a rigidez quadrada aumenta à medida que a profundidade da indentação diminui.
Cobre e prata podem apresentar o mesmo padrão. Nestes materiais, o efeito está geralmente associado a discordâncias, que são irregularidades semelhantes a linhas em uma rede atômica.
As mandíbulas sem-fim não possuem estrutura cristalina metálica convencional. Em vez disso, a sua estrutura consiste em proteínas de ligação a iões. No entanto, a sua rigidez segue a mesma lei dependente do tamanho nas regiões central e de ponta.
Um efeito semelhante ao metal dentro da matriz proteica
O resultado reforça evidências anteriores de que a plasticidade gradiente de deformação também opera neste material biológico. A tensão descreve como um material muda de forma sob força. Um gradiente de deformação descreve como a deformação varia no espaço.
Em profundidades de indentação muito pequenas, a deformação muda drasticamente em distâncias curtas. Isto pode aumentar a resistência à deformação e tornar a área testada mais rígida.
A descoberta se destaca porque o efeito Nix-Gao é amplamente considerado uma característica fundamental dos metais cristalinos. Descobrir isso em mandíbulas baseadas em proteínas mostra que um comportamento mecânico semelhante pode surgir de uma estrutura microscópica muito diferente.
Os pesquisadores não pararam com rigor. Suas medições também revelaram mudanças na elasticidade dependentes do tamanho.
“As mandíbulas do verme Bristol também mostraram elasticidade dependente do tamanho – uma característica distinta dos biometais em comparação com metais cristalinos padrão, como cobre ou prata”, diz o autor Christian Helmich.
A elasticidade descreve como um material se deforma e depois retorna à sua forma original. Nas mandíbulas do verme Bristol, essa resposta varia de acordo com o tamanho da área testada.
O cobre e a prata podem apresentar um efeito de formato de dureza, mas não apresentam o mesmo padrão elástico descrito nas mandíbulas. Esta diferença ajuda a distinguir os biometais dos metais cristalinos comuns.
Modelando forças em pequena escala
Para explicar o efeito elástico, a equipe utilizou modelagem matemática baseada na “micromecânica múltipla”. A estrutura combina pequenas forças estruturais com a maior resposta mecânica de um material.
Considere o que os pesquisadores chamam de energia microscópica concentrada A Força Peach-Kohler. Estas forças estão associadas a deslocamentos semelhantes a dobras dentro da matriz proteica iônica-covalente.
De acordo com o modelo, essas dobras podem criar gradientes de deformação grandes o suficiente para afetar o material na escala representada no experimento. O resultado fornece uma explicação teórica de por que a elasticidade varia com a profundidade da indentação.
O trabalho combina as três partes da definição biometálica proposta. As mandíbulas combinam rigidez incomum, mecânica de deformação dependente do tamanho e uma estrutura feita de proteínas unidas por íons.
A classificação não afirma que a mandíbula seja um metal convencional. Em vez disso, reconhece uma mistura de características que não se enquadram confortavelmente nas antigas descrições.
Esta distinção é importante porque a frase “biomaterial semelhante a metal” pode descrever amplamente materiais naturais com resistência ou condutividade semelhante a metal. O conceito biometálico agrega requisitos estruturais e mecânicos.
Um material antigo levanta novas questões
As descobertas vêm de uma mandíbula de uma espécie. A equipe planeja testar worms Bristol adicionais e expandir o banco de dados experimental.
Uma amostra maior poderia mostrar se os mesmos padrões de rigidez e resiliência são observados entre as espécies. Também pode ajudar a refinar o quadro teórico por trás da classificação proposta.
“Planejamos expandir a base de dados experimental investigando espécies adicionais para refinar o conceito teórico e realizar cálculos dedicados, e – talvez o mais interessante – para explorar a ligação entre a interferência genética e o espaço de design de material correspondente”, diz Helmich.
“Eles vêm com uma verdadeira empolgação pela beleza, elegância e requinte encontrados e produzidos na natureza.”
O trabalho genético planejado levanta outra questão: se as alterações genéticas podem alterar a estrutura da mandíbula e o comportamento mecânico.
Por enquanto, o estudo estabelece uma base empírica clara para tratar esta mandíbula como um componente distinto. Sua combinação de propriedades poliméricas e metálicas os torna incomuns na biologia e na ciência dos materiais.
Implicações práticas da pesquisa
Uma definição robusta de biometais pode ajudar os biofísicos a comparar materiais naturais que usam íons para fortalecer estruturas proteicas. Também pode orientar o estudo de como a rigidez e a elasticidade surgem sem uma rede metálica convencional.
Examinar mais espécies revelará quais características são difundidas e quais são exclusivas de certos vermes. Essas comparações ajudarão a refinar modelos de deformação, deformação e associação íon-proteína.
A pesquisa cria uma estrutura para estudar como as mudanças genéticas podem afetar as propriedades dos materiais. Esse trabalho poderia esclarecer como os organismos vivos controlam o desenho dos tecidos duros em escala microscópica, ao mesmo tempo que expandem os campos emergentes da biofísica e da bioengenharia.
