Summary

Kalciumkarbonatbildning i närvaro av Biopolymera tillsatser

Published: May 14, 2019
doi:

Summary

Vi beskriver ett protokoll för utfällning och karakterisering av kalciumkarbonatkristaller som bildas i närvaro av biopolymerer.

Abstract

Biomineralization är bildandet av mineraler i närvaro av organiska molekyler, ofta relaterade till funktionella och/eller strukturella roller i levande organismer. Det är en komplicerad process och därför ett enkelt, in vitro-system krävs för att förstå effekten av isolerade molekyler på biomineralisering processen. I många fall styrs biomineralisering av biopolymerer i den extracellulära matrisen. För att utvärdera effekten av isolerade biopolymerer på morfologin och strukturen av kalcit in vitro, har vi använt ång diffusions metoden för utfällning av kalciumkarbonat, scanning elektronmikroskopi och Micro Raman för karakterisering, och ultraviolett-synligt (UV/VIS) absorbans för att mäta antalet av en Biopolymer i kristallerna. I denna metod utsätter vi isolerade biopolymerer, lösta i en kalciumkloridlösning, till gasformig ammoniak och koldioxid som härstammar från nedbrytningen av fast ammoniumkarbonat. Under de förhållanden där löslighets produkten av kalciumkarbonat är nådd bildas kalciumkarbonatutfällningarna och kristallerna. Kalciumkarbonat har olika polymorfer som skiljer sig i deras termodynamiska stabilitet: amorft kalciumkarbonat, vaterite, aragonite, och kalcit. I avsaknad av biopolymerer, under rena förhållanden, är kalciumkarbonat mestadels närvarande i kalcit form, som är den mest termodynamiskt stabila polymorph av kalciumkarbonat. Denna metod undersöker effekten av de biopolymera tillsatser på Morfologi och struktur av kalciumkarbonat kristaller. Här demonstrerar vi protokollet genom studiet av ett extracellulärt bakterie protein, TapA, om bildandet av kalciumkarbonatkristaller. Specifikt fokuserar vi på de experimentella metoderna för att skapa och karakterisera, såsom optisk och elektronmikroskopi samt Raman-spektroskopi.

Introduction

Biomineralization är bildandet av mineraler i närvaro av organiska molekyler, ofta relaterade till funktionella och/eller strukturella roller i levande organismer. Biomineralization kan vara intracellulär, som i bildandet av magnetit inuti magnetotaktiska bakterier1, eller extracellulära, som i bildandet av kalciumkarbonat i havet urchin spikes2, av hydroxyapatit som är relaterad med kollagen i Ben3 och emalj som är associerad med amelogenin i tänderna4. Biomineralization är en komplicerad process som beror på många parametrar i den levande organismen. Därför, för att förenkla det system som studeras, är det nödvändigt att utvärdera effekten av separata komponenter på processen. I många fall induceras biomineralisering av närvaron av extracellulära biopolymerer. Syftet med den metod som presenteras här är följande: (1) för att bilda kalciumkarbonatkristaller i närvaro av isolerade biopolymerer in vitro, med hjälp av en ång diffusions metod. (2) att studera effekten av biopolymerer på Morfologi och struktur av kalciumkarbonat.

Tre huvudsakliga metoder för att fälla ut kalciumkarbonat in vitro i närvaro av organiska tillsatser används5,6. Den första metoden, som vi kommer att hänvisa till som lösningsmetod, är baserad på blandning av ett lösligt salt av kalcium (t. ex., CaCl2) med ett lösligt salt av karbonat (t. ex. natriumkarbonat). Blandningsprocessen kan utföras på flera sätt: inuti en reaktor med tre celler som skiljs åt av porösa membran7. Här innehåller var och en av de yttre cellerna ett lösligt salt och den centrala cellen innehåller en lösning med den tillsats som ska testas. Kalcium och karbonat diffus från den yttre till mellersta cellen, vilket resulterar i utfällning av mindre lösliga kalciumkarbonat när koncentrationerna av kalcium och karbonat överstiga deras löslighet produkt, KSP = [ca2 +] [co3 2-]. En ytterligare Blandningsmetod är dubbel-Jet förfarande8. I denna metod injiceras varje lösligt salt från en separat spruta till en omrörd lösning som innehåller tillsatsen, där kalciumkarbonat fälls ut. Här, injektionen och därför blandnings hastigheten är väl kontrollerad, i motsats till den tidigare metoden där blandningen styrs av diffusion.

Den andra metoden som används för att kristallisera CaCO3 är Kitano metod9. Denna metod är baserad på balansen mellan karbonat och vätekarbonat (2hco3 (AQ) + ca2 +(AQ) Image 1 Caco3 (s) + Co2 (g) + H2O (l)). Här är CO2 bubblade in i en lösning som innehåller Caco3 i en solid form, flytta balansen till vänster och därför upplösning av kalciumkarbonat. Det oupplösta kalciumkarbonat filtreras och de önskade tillsatser läggs till bikarbonat-rik lösning. CO2 får sedan avdunta, och därmed flytta reaktionen till höger, bildar kalciumkarbonat i närvaro av tillsatser.

Den tredje metoden för kalciumkarbonat kristallisation, som vi kommer att beskriva här, är ångdiffusions metoden10. I denna uppsättning, den organiska tillsatsen, upplöst i en lösning av kalciumklorid, placeras i en sluten kammare nära ammoniumkarbonat i en pulverform. När ammoniumkarbonatpulver bryts ned till koldioxid och ammoniak, diffunderar de in i lösningen som innehåller kalciumjoner (t. ex. CaCl2), och kalciumkarbonat fälls ut (se figur 1 för illustration). Calciumkarbonatkristaller kan växa vid långsam nederbörd eller vid fastar nederbörd. För den långsamma nederbörden placeras en lösning som innehåller tillsatsen i CaCl2 -lösning i en exsickator bredvid ammoniumkarbonatpulvret. I den snabba nederbörden, som beskrivs utförligt i protokollet, placeras både additiv lösningen och ammoniumkarbonat närmare varandra i en multi-well-platta. Den långsamma nederbörden metoden kommer att producera färre nukleation centra och större kristaller, och den snabba nederbörden kommer att resultera i fler nukleation centra och mindre kristaller.

De metoder som beskrivs ovan skiljer sig i deras tekniska komplexitet, i nivån av kontroll och i takt med nederbörden processen. Blandnings metoden kräver en särskild uppsättning6 för både dubbel stråle och trecellssystem. I blandnings metoden är närvaron av andra lösliga Counter-joner (t. ex., na+, cl-)6 oundviklig, medan i Kitanometoden är kalcium och (BI) karbonat de enda joner i lösning och det innebär inte förekomst av ytterligare (t. ex., na+, cl). Dessutom kräver blandnings metoden relativt stora volymer och därför är den inte lämplig för arbete med dyra biopolymerer. Fördelen med dubbel stråle är att det är möjligt att kontrollera graden av lösning injektion och att det är en snabb process i jämförelse med andra metoder.

Fördelen med Kitano-metoden och ång diffusions metoden är att bildandet av kalciumkarbonat styrs genom diffusion av CO2 till/från en CaCl2 -lösning, vilket gör det möjligt att söka långsammare kärnbildning och nederbörd processer elva , 12. Dessutom kan kalciumkarbonatbildningen genom diffusion av co2 likna förkalkning processer in vivo13,14,15. I denna metod bildas väldefinierade och separerade kristaller16. Slutligen kan effekten av enstaka eller flera biopolymerer på kalciumkarbonatbildning testas. Detta möjliggör en systematisk studie av effekten av en serie additiva koncentrationer på kalciumkarbonatbildningen samt en studie av blandningar av biopolymerer-allt utfört på ett kontrollerat sätt. Denna metod är lämplig för användning med ett stort utbud av koncentrationer och volymer av tillsatser. Den minimala volym som används är ungefär 50 μL och därför är denna metod fördelaktig när det finns en begränsad mängd av de tillgängliga Biopolymererna. Den maximala volymen beror på tillgängligheten för en större brunn-platta eller exsickatorn i vilken plattan eller bägaren som innehåller CaCl2 skall sättas in. Den metod som beskrivs nedan har optimerats för att arbeta i en 96-brunn tallrik med en Biopolymer valt att vara proteinet TapA17.

Protocol

1. kristallisation av kalciumkarbonat Kontroll beredning och optimering Förbered rena glasbitar. Använd samma rengöringsprocedur för att rengöra glas. Använd en diamantpenna för att skära bitar av ett glas Mikroskop Slide så att de passar i en brunn på en 96-bra tallrik.Obs: 5 mm x 5 mm bitar bör i hög grad passa. Placera glasbitarna i en bägare med Triple destillerat vatten (TDW) så att vattnet täcker glas rutschbanorna och Sonikera i ett bad son…

Representative Results

En schematisk av den experimentella uppsättningen visas i figur 1. Kortfattat används diffusions metoden för att bilda kalciumkarbonatkristaller i 96-well-plattor och testa effekten av biopolymerer på morfologin och strukturen av kalciumkarbonatkristaller. I dessa experiment bryts ammoniumkarbonat till ammoniak och CO2, som sprids till kalciumkarbonatlösningar, vilket resulterar i bildandet av kalciumkarbonatkristaller (figur 1 och <strong class=…

Discussion

Den metod som beskrivs här syftar till att bilda kalciumkarbonat kristaller i närvaro av organiska tillsatser och utvärdera effekten av organiska biopolymerer på Morfologi och struktur av kalciumkarbonat kristaller in vitro-. Metoden baseras på jämförelsen av kristallerna som bildas i närvaron av de organiska tillsatserna till de kalcit kristaller som bildas i kontroll experimentet. Vi har visat hur man använder diffusions metoden för att bilda kalciumkarbonatkristaller, hur man karakteriserar deras morfologi m…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Författarna skulle vilja tacka prof. Lia Addadi, Prof. Jonathan Erez, och Dr. Yael Politi för fruktbara diskussioner. Denna forskning har fått stöd av israeliska Science Foundation (ISF), Grant 1150/14.

Materials

Acetic acid Gadot 64-19-7
Ammonium carbonate Sigma-Aldrich 506-87-6
Calcium chloride dihydrate Merck KGaA 10035-04-8
Ethanol Absolute Gadot 64-17-5
Micro-Raman Renishaw inVia Reflex spectrometer coupled with an upright Leica optical microscope
Microscope Nikon Eclipse 90i model
Nis elements Br software Nikon For microscope imaging
Scanning Electron Microscope ThermoFisher Scientific FEI Sirion microscope
Spectrophotometer JASCO V-670 model
Sputter coater Polaron SC7640 model

References

  1. Blakemore, R. Magnetotactic bacteria. Science. 190 (4212), 377-379 (1975).
  2. Politi, Y., Arad, T., Klein, E., Weiner, S., Addadi, L. Sea Urchin Spine Calcite Forms via a Transient Amorphous Calcium Carbonate Phase. Science. 306 (5699), 1161-1164 (2004).
  3. Nudelman, F., Lausch, A. J., Sommerdijk, N. A. J. M., Sone, E. D. In vitro models of collagen biomineralization. Journal of Structural Biology. 183 (2), 258-269 (2013).
  4. Sigel, A., Sigel, H., Sigel, R. K. . Biomineralization: from nature to application. 12, (2008).
  5. Nielsen, M. H., Lee, J. R. I., De Yoreo, J. J. . Methods in Enzymology. 532, 209-224 (2013).
  6. Page, M. G., Cölfen, H. Improved Control of CaCO3 Precipitation by Direct Carbon Dioxide Diffusion: Application in Mesocrystal Assembly. Crystal Growth & Design. 6 (8), 1915-1920 (2006).
  7. Wang, H., Huang, W., Han, Y. Diffusion-reaction compromise the polymorphs of precipitated calcium carbonate. Particuology. 11 (3), 301-308 (2013).
  8. Sedlák, M., Antonietti, M., Cölfen, H. Synthesis of a new class of double-hydrophilic block copolymers with calcium binding capacity as builders and for biomimetic structure control of minerals. Macromolecular Chemistry and Physics. 199 (2), 247-254 (1998).
  9. Kitano, Y., Park, K., Hood, D. W. Pure aragonite synthesis. Journal of Geophysical Research. 67 (12), 4873-4874 (1962).
  10. Politi, Y., Mahamid, J., Goldberg, H., Weiner, S., Addadi, L. Asprich mollusk shell protein: in vitro experiments aimed at elucidating function in CaCO3 crystallization. CrystEngComm. 9 (12), 1171-1177 (2007).
  11. Gehrke, N., Cölfen, H., Pinna, N., Antonietti, M., Nassif, N. Superstructures of Calcium Carbonate Crystals by Oriented Attachment. Crystal Growth & Design. 5 (4), 1317-1319 (2005).
  12. Rudloff, J., et al. Double-Hydrophilic Block Copolymers with Monophosphate Ester Moieties as Crystal Growth Modifiers of CaCO3. Macromolecular Chemistry and Physics. 203 (4), 627-635 (2002).
  13. Boquet, E., Boronat, A., Ramos-Cormenzana, A. Production of Calcite (Calcium Carbonate) Crystals by Soil Bacteria is a General Phenomenon. Nature. 246, 527 (1973).
  14. Cohen, A. L., McConnaughey, T. A. Geochemical Perspectives on Coral Mineralization. Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 54 (1), 151-187 (2003).
  15. Erez, J. Vital effect on stable-isotope composition seen in foraminifera and coral skeletons. Nature. 273, 199 (1978).
  16. Azulay, D. N., et al. Biopolymers from a Bacterial Extracellular Matrix Affect the Morphology and Structure of Calcium Carbonate Crystals. Crystal Growth & Design. 18 (9), 5582-5591 (2018).
  17. Abbasi, R., et al. The Bacterial Extracellular Matrix Protein TapA Is a Two-Domain Partially Disordered Protein. ChemBioChem. , (2018).
  18. Gauldie, R. W., Sharma, S. K., Volk, E. Micro-raman spectral study of vaterite and aragonite otoliths of the coho salmon, Oncorhynchus kisutch. Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Physiology. 118 (3), 753-757 (1997).
  19. Gasteiger, E., et al. . The Proteomics Protocols Handbook. , 571-607 (2005).
  20. Gunasekaran, S., Anbalagan, G., Pandi, S. Raman and infrared spectra of carbonates of calcite structure. Journal of Raman Spectroscopy. 37 (9), 892-899 (2006).
  21. Trushina, D. B., Bukreeva, T. V., Kovalchuk, M. V., Antipina, M. N. CaCO3 vaterite microparticles for biomedical and personal care applications. Materials Science and Engineering: C. 45, 644-658 (2014).
  22. Weiss, I. M., Tuross, N., Addadi, L., Weiner, S. Mollusc larval shell formation: amorphous calcium carbonate is a precursor phase for aragonite. Journal of Experimental Zoology. 293 (5), 478-491 (2002).
  23. Yamamoto, Y., Nishimura, T., Saito, T., Kato, T. CaCO3/chitin-whisker hybrids: formation of CaCO3 crystals in chitin-based liquid-crystalline suspension. Polymer Journal. 42, 583 (2010).
  24. Magnabosco, G., et al. Insights on the interaction of calcein with calcium carbonate and its implications in biomineralization studies. CrystEngComm. 20 (30), 4221-4224 (2018).

Play Video

Cite This Article
Azulay, D. N., Chai, L. Calcium Carbonate Formation in the Presence of Biopolymeric Additives. J. Vis. Exp. (147), e59638, doi:10.3791/59638 (2019).

View Video