O verme marinho Perinereis cultrifera possui mandíbulas que confundem a linha divisória entre biologia e metal. Feitos de proteínas e íons metálicos, os órgãos mordedores deste antigo verme marinho endurecem em direção às pontas e se comportam de maneira semelhante ao cobre ou à prata.
Pesquisadores da Universidade Técnica de Viena e da Universidade de Viena estudaram essas propriedades mecânicas incomuns na revista Biophysics Reviews. Seu trabalho apoia a categoria proposta de "biometais", que descreve materiais naturais que combinam estruturas semelhantes a polímeros com a dureza e as propriedades de deformação características dos metais.
Este termo é mais específico do que designações como "biomateriais semelhantes a metais". Os pesquisadores argumentam que os biometais devem ser avaliados com base em três critérios: dureza, comportamento de deformação e estrutura iônica-proteica.
Perinereis cultrifera, um verme predador do tipo cerdas que sobrevive até os dias de hoje, fornece um exemplo útil para estudo. Suas mandíbulas contêm proteínas estruturais ligadas a íons metálicos. O verme usa essas proteínas para morder, esmagar e consumir.
Pontas mais duras são causadas por uma mandíbula desigual.
A equipe de pesquisa examinou toda a mandíbula, não apenas seu plano médio. Eles testaram 11 pontos nas porções central e apical da mandíbula.
Utilizando uma técnica chamada nanoindentação, os pesquisadores pressionaram uma minúscula sonda no material em seis profundidades diferentes. Esse método cria indentação microscópica e mede a resistência da amostra a ela.
Análises químicas e de imagem revelaram que as concentrações de íons metálicos eram maiores perto das pontas das mandíbulas do que no centro. Esse padrão confirmou observações anteriores e provavelmente explica por que as pontas das mandíbulas são mais duras.
A dureza da mandíbula não era uniforme em todas as escalas. Indentações mais superficiais encontravam maior resistência do que as mais profundas, o que significa que áreas menores da mandíbula pareciam mais duras.
Esse comportamento é consistente com o efeito de tamanho de Nix-Gao em nanoindentação, uma relação tipicamente observada em metais cristalinos. De acordo com essa relação, o quadrado da dureza aumenta à medida que a profundidade de indentação diminui.
O cobre e a prata podem apresentar um padrão semelhante. Nesses materiais, o efeito está tipicamente associado a deslocamentos, que são irregularidades lineares dentro da rede atômica.
A mandíbula do verme não possui uma estrutura cristalina metálica tradicional. Em vez disso, sua estrutura consiste em proteínas coordenadas ionicamente. No entanto, sua dureza seguiu a mesma lei de dependência do tamanho tanto nas regiões centrais quanto nas terminais.
Efeito semelhante ao de metal dentro da matriz proteica
Os resultados obtidos confirmam descobertas anteriores de que a plasticidade induzida por gradiente de deformação também opera nesse material biológico. A deformação descreve como um material muda de forma sob a ação de uma força. Um gradiente de deformação descreve como essa deformação varia espacialmente.
Em profundidades de indentação muito rasas, a deformação muda abruptamente em uma curta distância. Isso pode aumentar a resistência à deformação e criar a impressão de maior dureza na área examinada.
Essa descoberta é notável, visto que o efeito Nix-Gao é amplamente considerado uma característica importante dos metais cristalinos. Sua descoberta em uma mandíbula à base de proteína demonstra que um comportamento mecânico semelhante pode ocorrer em uma estrutura microscópica completamente diferente.
Os pesquisadores não se limitaram a medir a dureza. Suas medições também revelaram uma mudança na elasticidade que depende do tamanho.
«"As mandíbulas dos vermes cerdosos também exibiram elasticidade dependente do tamanho — uma característica distintiva dos biometais em comparação com metais cristalinos padrão, como cobre ou prata", disse o autor Christian Hellmich.
A elasticidade descreve como um material se deforma e depois retorna à sua forma original. Na mandíbula do verme-de-cerdas, essa resposta variava dependendo do tamanho da área examinada.
O cobre e a prata podem apresentar um efeito de dureza dependente do tamanho, mas não exibem a mesma estrutura elástica descrita para a mandíbula. Essa diferença ajuda a distinguir os biometais dos metais cristalinos convencionais.
Modelagem de forças em escalas menores
Para explicar o efeito elástico, a equipe utilizou modelagem matemática baseada na "micromecânica multifacetada". Esse conceito relaciona forças estruturais minúsculas com a resposta mecânica mais ampla de um material.
Os pesquisadores examinaram forças microscópicas concentradas conhecidas como forças de Peach-Köhler. Essas forças estão associadas a dobras de deslocamento dentro da matriz proteica coordenada por íons.
De acordo com o modelo, essas dobras podem criar gradientes de tensão suficientemente grandes para afetar o material na escala representada nos experimentos. Esse resultado oferece uma explicação teórica para a variação da elasticidade com a profundidade da indentação.
Este trabalho reúne todas as três partes da definição proposta de biometal. A mandíbula combina dureza extraordinária, mecânica de deformação dependente do tamanho e uma estrutura construída a partir de proteínas coordenadas por íons.
A classificação não afirma que a mandíbula seja feita de metal comum. Em vez disso, reconhece uma combinação de propriedades que não se encaixa nas descrições mais antigas.
Essa distinção é importante porque expressões como "biomaterial semelhante a metal" podem descrever, de forma geral, substâncias naturais que possuem resistência ou condutividade semelhantes às de metais. O conceito de biometal acrescenta requisitos estruturais e mecânicos.
Material antigo levanta novas questões.
Os dados obtidos são baseados em uma única mandíbula de uma única espécie. A equipe planeja estudar outros poliquetas e expandir o banco de dados experimental.
Uma amostra maior permitiria demonstrar se padrões semelhantes de dureza e elasticidade são observados em diferentes espécies. Isso também ajudaria a esclarecer a base teórica da classificação proposta.
«"Planejamos expandir o banco de dados experimental estudando espécies adicionais para refinar o conceito teórico e realizar cálculos específicos e, talvez o mais interessante, explorar a relação entre intervenções genéticas e o espaço de design de materiais correspondente", disse Hellmich.
«Tudo isso evoca um deleite genuíno pela beleza, graça e sofisticação que encontramos na natureza e que ela cria.».
Estudos genéticos planejados levantam outra questão: se alterações nos genes podem modificar a composição e as propriedades mecânicas da mandíbula.
O estudo agora fornece uma base experimental mais clara para considerar essas mandíbulas como um material distinto. A combinação de propriedades poliméricas e metálicas as torna incomuns do ponto de vista biológico e da ciência dos materiais.
Implicações práticas do estudo
Uma definição mais clara de biometais poderia ajudar os biofísicos a comparar materiais naturais que usam íons para fortalecer estruturas proteicas. Também poderia auxiliar no estudo de como a dureza e a elasticidade surgem sem uma estrutura metálica tradicional.
Estudar um número maior de espécies poderia revelar quais características são comuns e quais são exclusivas de espécies específicas de vermes. Essas comparações ajudariam a refinar modelos de deformação, estresse e organização íon-proteína.
Esta pesquisa também estabelece as bases para o estudo de como as modificações genéticas podem influenciar as propriedades dos materiais. Tal trabalho poderá esclarecer como os organismos vivos controlam a estrutura dos tecidos duros em nível microscópico, ao mesmo tempo que expande novas áreas da biofísica e da bioengenharia.
Os resultados da pesquisa estão disponíveis online na revista Biophysics Reviews.
O artigo original, "Biometals: Ancient marine worms hold the secret to a new, unusual class of materials," foi publicado pelo The Brighter Side of News.
Artigos relacionados
-
Os platelmintos desafiam as leis das células-tronco, oferecendo um modelo para a regeneração humana.
-
Pesquisas demonstraram que os primeiros animais na Terra podem ter sido esponjas marinhas.
-
Cientistas descobriram vermes predadores gigantes com 518 milhões de anos.
Você gosta de histórias positivas como esta? Inscreva-se! Boletim informativo "O Lado Mais Positivo das Notícias" .