Según las estadísticas, los médicos más terribles son los dentistas. Estos seguidores de un taladro y gas de la risa están listos para hacer cualquier cosa para hacerse cuentas de sus dientes. Al menos eso es lo que piensan las personas con dentofobia. De hecho, el trabajo de los dentistas es importante y necesario. Pero quien no necesita un dentista son quitones, moluscos de concha. Sus dientes son tan fuertes que la frase "roer el granito de la ciencia" adquiere un significado literal. Los dientes en la túnica radula están cubiertos con mineral de magnetita, que estos habitantes marinos producen de forma independiente. Entonces, los científicos decidieron estudiar este proceso con más detalle con la esperanza de obtener nueva información que pueda ayudar en la creación de nuevos materiales ultrarresistentes. Cómo los científicos realizaron su investigación sobre las "sonrisas" de las túnicas, lo que lograron descubrir y cómo sus descubrimientos pueden ayudar a las personas: las respuestas a estas preguntas se encuentran en el informe del grupo de investigación. Vamos
MalacologíaLos quitones o moluscos de concha son una clase de moluscos marinos cubiertos de concha. Aquí hay tal tautología. En este momento, hay aproximadamente 1,500 especies que viven en una amplia variedad de regiones geográficas y capas de agua (desde aguas poco profundas hasta profundidades de 2500 m). La primera característica que llama la atención es su caparazón. Consiste en 8 placas interconectadas de manera bastante móvil, lo que permite que las túnicas colapsen en una bola en caso de peligro.
Chiton de la especie Cryptochiton stelleri.Si decimos que la genealogía de las túnicas es muy antigua, esto será un eufemismo, porque algunos restos de los antepasados de las túnicas (fósiles) son de unos 400 millones de años. Al mismo tiempo, estos habitantes marinos eran solitarios: las primeras descripciones de túnicas se remontan a 1758 después de la autoría del científico sueco Karl Linnaeus.
Túnica de radula.La pesadilla de cualquier dentista es una boca de túnica, equipada con una rádula con varias hileras de dientes de 17 piezas cada una. Una vez más, decimos gracias a la evolución que estas criaturas crecen hasta un máximo de 35 cm y se alimentan de algas microscópicas, y no de humanos. Cada uno de los dientes está cubierto con magnetita, que los ayuda a raspar sus alimentos de cualquier superficie.
Y esta es precisamente esta característica que interesó a los científicos. ¿Cómo producen los chitones magnetita, convirtiendo sus dientes en uno de los más fuertes de la naturaleza?
MagnetitaLa magnetita (Fe
3 O
4 / óxido de hierro), como se puede adivinar por el nombre, tiene fuertes propiedades magnéticas, además, es un semiconductor. No puede llamar a este mineral raro, pero una cosa es extraerlo en algunas montañas y otra muy distinta desarrollarlo con su propio cuerpo para fortalecer sus dientes.
Entonces, nos familiarizamos un poco con el protagonista de este estudio y su "superpotencia". Ahora es el momento de profundizar en el estudio en sí y sus resultados.
Base de estudioLos científicos han sabido durante mucho tiempo que algunos organismos pueden producir magnetita. Entre estos organismos hay bacterias, abejas, salmones e incluso palomas. Sin embargo, desde el descubrimiento de tal característica en los quitones en 1962, el mecanismo de producción de magnetita no se ha descrito completamente. Los científicos señalan que el interés en los quitones ha aumentado muchas veces después de que la magnetita producida por Cryptochiton stelleri (un tipo de quitones) fuera reconocida como uno de los biominerales más duraderos.
Otra característica importante de los quitones es el reemplazo de varios dientes desgastados por otros nuevos formados dentro de la rádula, lo que nos permite analizar todo el proceso de mineralización. Las primeras 8-12 hileras de dientes de C. stelleri son transparentes y no tienen magnetita, pero consisten más en α-quitina y proteínas. Después de 2-5 hileras de dientes se oscurecen a un color marrón rojizo, que corresponde visualmente a la mineralización parcial por medio de óxido de hierro nanocristalino amorfo (ferrihidrita). Y las hileras más recientes de dientes ya tienen pronunciadas protuberancias negras, lo que indica la finalización del proceso de mineralización, es decir, la transición de la ferrihidrita a la magnetita.
Un matiz importante: la superficie de la rádula y la base de los dientes consisten principalmente en α-quitina, pero la punta de los dientes ya está formada por un mineral. Y esto significa que hay una serie de proteínas que determinan los detalles de la formación de óxido de hierro y la cobertura adicional de esta área en particular con magnetita.
Para estudiar estos procesos, los científicos llevaron a cabo una serie de observaciones que permitieron recrear con una transcripción de la tádula de tejido del quitón C. stelleri de ambas áreas, con y sin mineralización.
Resultados
Imagen No. 1Los dientes del molusco se forman dentro de los tejidos de la rádula, donde están rodeados por células epiteliales (
1a ). Por lo tanto, las proteínas necesarias para su formación se producen en las mismas células.
Los científicos aislaron el ARN de los tejidos de la rádula para construir una serie de secuencias expresadas en estos tejidos (transcripción).
Los tejidos de tres sitios (
1a ) sirvieron como muestras para el aislamiento de ARN: las primeras 8-12 filas de dientes (sin mineralización), 2–5 filas (mineralización parcial) y 5–6 filas (mineralización completa). A continuación, se llevó a cabo la secuenciación de ARN, es decir, la determinación de la estructura primaria de ARN. Los datos de sitios mineralizados y no mineralizados se recopilaron en 187980 transcripciones. La longitud promedio de una transcripción fue de 705 pb (pares de bases / pares de nucleótidos), y el máximo alcanzó 16738 pb.
La figura
1b muestra esquemáticamente un diente de quitón: una membrana de rádula en la base, luego la parte principal y el ápice afilado del diente (parte externa).
Tabla de resultados de secuenciación de ARN C. stelleri.Entre las 20 transcripciones más expresadas en la región dental no mineralizada, cinco transcripciones son isoformas de la proteína
Cs17717 | c0_g1 . También se revelaron 2 transcripciones de proteínas similares a la
peritrofina -
Cs79475 | c0_g1_i1 y
Cs70642 | c0_g2_i1 que tienen un dominio de unión a quitina. También es importante tener en cuenta que
Cs25220 | c1_g1_i1 es similar a la proteína Pif, que está asociada con la biomineralización del carbonato de calcio en los moluscos. Por lo tanto, las proteínas anteriores tienen un dominio de unión a quitina tipo 2.
Se observó una imagen diferente en las veinte transcripciones expresadas en la región mineralizada de los dientes. El 35% de ellos eran enzimas mitocondriales de la cadena respiratoria.
También se detectó la proteína
Cs12250 | c0_g1_i1 implicada en la unión de quitina. Curiosamente, esta proteína se encontró previamente en el pico del calamar. Alrededor del 25% de las transcripciones son isoformas de la proteína
Cs22243 | c0_g7 , cuyas funciones aún no se han estudiado.
Los científicos han identificado varias proteínas importantes en su opinión involucradas en el proceso de mineralización. Pero consideran que la ferritina es la más importante, que es necesaria para el almacenamiento y la transferencia de hierro. La ferritina forma una célula proteica, una especie de trampa en la que se colocan hasta 4.500 átomos de hierro en forma de un mineral a base de óxido de hierro.
Tabla de todas las proteínas asociadas con la mineralización dental C. stelleri.Y dado que se encontraron genes de ferritina en los tejidos de rádula de los moluscos probados, los científicos sugirieron audazmente que estaba involucrado en el proceso de mineralización de los dientes.
Los científicos analizaron 134.993 transcripciones en busca de signos de homología (similitud genética) con genes de ferritina. Como resultado, se aislaron 4 secuencias de transcripción de aminoácidos.
Un análisis de los cuatro mostró que
Cs90734 | c0_g1_i1 tiene homología con ferritinas secretadas, mientras que los tres restantes (
Cs22563 | c0_g1_i1 ,
Cs75144 | c0_g1_i1 y
Cs17042 | c0_g1_i1 ) son más similares a las ferritinas citoplasmáticas.
Los científicos también señalan que la ferritina
Cs90734 | c0_g1_i1 , a diferencia de sus "colegas", tiene algunas propiedades estructurales inherentes a las ferritinas de tipo secretado, y no citoplasmática.
En primer lugar, tiene una inserción de aproximadamente 40 residuos de aminoácidos (aminoácidos fuera de la secuencia de péptidos). En segundo lugar, los residuos de unión a metales son reemplazados por otros aminoácidos. Lo único que
Cs90734 | c0_g1_i1 no tiene de las ferritinas de tipo secretado son las secuencias de señal.
La tasa de expresión más alta fue para una ferritina específica:
Cs75144 | c0_g1_i1 , que fue, lo que es interesante, más pronunciada en la región no mineralizada de los dientes. Esto indica su importancia en el proceso de mineralización.
Se identificaron un total de 31 proteínas de la base del diente y la membrana de la rádula. De estos, 22 fueron identificados durante la primera etapa del análisis mediante espectrometría de masas en tándem. Esta técnica también permitió comprender que las secuencias de péptidos de las áreas mineralizadas del diente se correlacionan con 232 transcripciones, y las secuencias de péptidos de la base y la membrana del diente con 114 transcripciones.
Se identificaron 77 proteínas del área de las puntas de los dientes (61 durante el primer análisis y 54 durante el segundo), entre las cuales se encuentran las siguientes: mioglobina, actina, factor de elongación 1 alfa y arginina quinasa (
Cs77196 | c0_g2_i1 ,
Cs47470 | c2_g3_i1 ,
Cs24354 | c0_ g1_i Cs82664 | c0_g1_i1 , respectivamente). Todos ellos están representados por las veinte transcripciones más expresadas en el área no mineralizada de los dientes.
Durante la búsqueda de los responsables de la mineralización de proteínas, se usó el software Mascot, que trabajó sobre la base de datos de espectrometría de masas y determinó las proteínas mediante secuencias peptídicas. Entre las proteínas estudiadas, se prestó especial atención a la proteína
Cs68435 | c0_g1_i1 previamente no identificada, que no tenía características comunes con las secuencias de otras proteínas. Los científicos le dieron el nombre de
RTMP1 (proteína matriz de los dientes radiales 1).
La secuencia peptídica de la proteína
Cs68435 | c0_g1_i1 contiene residuos de glicina y serina. Dado que el cinco primo (5 ') de esta proteína se acortó, la longitud total de la secuencia se determinó usando 5'-RACE.
RACE (amplificación rápida de extremos de ADNc) es un método para producir regiones terminales de ADNc bicatenarias homólogas a los extremos 3 'o 5' de moléculas de ARNm específicas.
La secuencia de aminoácidos completa de la nueva proteína RTMP1.La imagen general de la secuencia es la siguiente: sitios enriquecidos en glicina y serina (GS), luego sitios con triptófano y fenilalanina (WF) y sitios ricos en histidina (H).
Los científicos también encontraron que la alineación de las secuencias WF de los dominios de unión a quitina RTMP1 de cuatro quitinasas bacterianas (enzimas que activan la degradación de quitina) mostró que tres de cada cinco residuos putativos que interactúan con quitina en dominios de unión a quitina también están presentes en RTMP1.
Los científicos han determinado el perfil de expresión de las transcripciones asociadas con las proteínas de mineralización en diferentes períodos de mineralización. El nivel de expresión de algunas transcripciones (por ejemplo, proteínas similares a neuroglobina, superóxido dismutasa, peroxirredoxina-6, etc.) difiere en aproximadamente 4 veces en áreas dentales con y sin mineralización. El nivel de expresión varía según el curso del proceso de mineralización. En otras palabras, cuanto más cerca del sitio de mineralización, menor es la expresión de algunas transcripciones y mayor es la expresión de otras (por ejemplo, la proteína RTMP1).
Para un conocimiento más detallado del estudio, le recomiendo que examine el
informe del grupo de investigación y los
materiales adicionales .
EpílogoEste estudio fue el primero en demostrar una transcripción de tejido de radón quitón. Los científicos pudieron descubrir que las transcripciones más expresadas en áreas no mineralizadas contienen genes de ferritina y en minerales, enzimas de la cadena respiratoria mitocondrial.
Los investigadores también aislaron 22 proteínas en el área mineralizada, entre las cuales se descubrió una completamente nueva: RTMP1. Son estas proteínas las que se probarán en estudios posteriores de la mineralización de óxido de hierro en túnicas.
Este trabajo es el primer paso para comprender cómo se forman los minerales en los sistemas biológicos. Tales casos no son infrecuentes, pero se han estudiado extremadamente superficialmente en este momento. En el futuro, dicho conocimiento puede ayudar a crear nuevos métodos para cultivar ciertos materiales, dotándolos de propiedades muy útiles (resistencia, conductividad eléctrica, magnetización, etc.).
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