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利用X射线纳米断层扫描发现珍珠母的周期性结构

X射线 欧洲同步辐射装置 X射线纳米断层扫描
发布:2021-01-05 11:16:50    


 穿过外壳的横截面,显示在棱柱形外壳结构顶部的周期性分层的珍珠质。图片来源:©Igor Zlotnikov

在《自然物理学》上发表的一项新研究中,德累斯顿大学分子生物工程中心B CUBE和格勒诺布尔的欧洲同步辐射装置(ESRF)的研究人员首次描述了自组装珍珠母的结构缺陷被相互吸引和抵消,最终形成一个完美的周期性结构。

软体动物会形成贝壳,以保护其软组织免受食肉动物的伤害。珍珠母,具有复杂、高度规则的结构,使其非常坚固。根据不同的物种,珍珠层的长度可以达到数十厘米。无论大小,每个珍珠层都是由多个单元同时沉积在多个不同位置的材料制成的。迄今为止,这种高度周期性和均匀的结构究竟如何从最初的疾病中显现出来还不清楚。

珍珠层的形成开始与细胞在不同位置同时沉积物质的过程不协调。毫不奇怪,早期的珍珠层结构不是很规则。在这一点上,它充满了缺陷。“从一开始,分层的矿物有机组织就充满了结构性的断层,这些断层像螺旋线一样通过许多层传播。实际上,它们看起来像是螺旋楼梯,具有右旋或左旋方位。”德累斯顿大学分子生物工程中心B CUBE研究小组组长Igor Zlotnikov博士说。“这些缺陷在形成这种周期性组织中的作用尚未确定。另一方面,成熟的珍珠质是无缺陷的,具有规则的,均匀的结构。”

Zlotnikov小组的研究人员与格勒诺布尔的欧洲同步加速器辐射设施(ESRF)合作,对早期和成熟的珍珠母的内部结构进行了非常详细的研究。使用基于同步加速器的全息X射线纳米断层扫描,研究人员可以捕获随着时间推移珍珠母的生长。兹洛特尼科夫博士解释说:“珍珠母是一种非常精细的结构,具有小于50 nm的有机特征。ESRF上的光束线ID16A为我们提供了前所未有的三维可视化珍珠母的能力。” “电子密度高,周期性高的无机血小板与纤细细长的有机界面相结合,使珍珠母成像成为具有挑战性的结构。低温成像帮助我们获得了所需的分辨力,”博士解释说。

 ESRF全息X射线纳米断层扫描光束线(ID16A)的终端站。图片来源:©Igor Zlotnikov

数据分析是一个很大的挑战。研究人员开发了使用神经网络的分割算法,并对其进行了训练,以分离珍珠层的不同层。通过这种方式,他们能够跟踪随着珍珠层的生长而发生的结构缺陷。

在生长的珍珠母中结构缺陷的行为令人惊讶。相反方向的缺陷从很远的距离相互吸引。右手和左手缺陷在结构中移动,直到遇到为止,然后相互抵消。这些事件导致组织范围内的同步。随着时间的流逝,它使结构发展成为完全规则且无缺陷的结构。

许多不同的动物产生类似于珍珠母的周期性结构。研究人员认为,新发现的机制不仅可以驱动珍珠质的形成,而且还可以驱动其他生物结构。

珍珠母是一种由软体动物所产生的有机及无机混合物,做为该动物贝壳的内层物质;它也是构成珍珠表层亮丽的材料,材质非常坚固,但有弹性,且具有多种鲜艳色彩。

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