SEKCJA BIOKRYSTALIZACJI

Co to jest biokrystalizacja

Proces biokrystalizacji, czyli proces tworzenia kryształów przez organizmy żywe jest procesem złożonym
i nie do końca poznanym, chociaż szeroko rozpowszechnionym. Dotychczas wykryto ponad 60 kryształów, które są wytwarzane przez organizmy żywe. Jednym z przykładów jest szkliwo zębów, które jest najtwardszą tkanką całego organizmu. W około 95% zbudowane jest z materii nieorganicznej. Pod względem chemicznym w budowie szkliwa dominują kryształy hydroksyapatytu. Zębina jest tkanką leżącą pod szkliwem i stanowi największą część tworzącą ząb. Zbudowana jest w większości z kryształów dwuhydroksyapatytu. Tak jak szkliwo, zębina jest produktem biokrystalizacji.

Innym przykładem są kryształy szczawianu wapnia, które występują w ponad 200 rodzinach roślin. Kryształy te występują w różnych organach i tkankach roślinnych takich jak: liście, łodygi, korzenie, nasiona czy organy kwiatowe. Morfologia tych kryształów jest bardzo zróżnicowana, od prostych regularnych kryształów pryzmatycznych poprzez sferyczne agregaty aż do pojedynczych igieł o ostrych zakończeniach.

(a)    centro symetryczne kryształy szczawianu wapnia otrzymywane in vitro;

(b)    morfologia kryształów szczawianu wapnia charakterystyczna dla roślin z rodziny Solanacea. Ściana (101) nigdy nie występuje w kryształach szczawianu wapnia otrzymywanych syntetycznie.

Szczegółowa analiza: J. Prywer, CrystEngComm  11 (2009) 196–202.

Pomimo szerokiego występowania tego kryształu w roślinach, funkcje jakie spełnia w roślinie nie są do końca poznane
i zrozumiałe. Jednakże wydaje się, że kryształy te odgrywają różnorodne role. Szczawiany wapnia prawdopodobnie służą roślinie jako rezerwuar wapnia oraz również pozwalają utrzymać prawidłową równowagę jonową pomiędzy jonami sodu i potasu. Ponadto, rośliny wytwarzają kryształy szczawianu wapnia w celu utrzymania niskiego poziomu rozpuszczalności potencjalnie toksycznych substancji, takich jak kwas szczawiowy. W wielu przypadkach kształt kryształu
i jego występowanie w określonych tkankach rośliny determinuje jego funkcje. Na przykład kryształy w postaci igieł występujące w liściach mogą odgrywać rolę obronną przed roślinożercami. W niektórych przypadkach te krystaliczne igły posiadają bruzdy, które prawdopodobnie usprawniają transport toksyn do nadgryzionych części roślin.

Bardzo ciekawą cechą biokrystalizacji kryształów szczawianu wapnia jest fakt, że poszczególne gatunki roślin tworzą kryształy o określonej morfologii. Morfologia danego kryształu jest charakterystyczna dla określonej grupy taksonomicznej, dlatego też morfologia kryształu jest często używana jako cecha taksonomiczna danej rodziny roślin.

Badania procesów biokrystalizacji kryształów szczawianu wapnia w roślinach ma na celu wszechstronne zrozumienie procesów wzrostu kryształów oraz fizjologii roślin. Badania te są również istotne ze względu na zdrowie człowieka, ponieważ rośliny spożywane przez człowieka są głównym źródłem szczawianów. Szpinak, rabarbar albo fasola są przykładami roślin zawierających znaczne ilości szczawianów. Spożywanie ich w nadmiernej ilości może mieć negatywny wpływ na zdrowie człowieka, na przykład może sprzyjać tworzeniu się nieinfekcyjnych kamieni moczowych.

W miejscach skupisk bakterii Proteus mirabilis następuje nukleacja kryształów fosforanu amonowo-magnezowego będącego komponentem infekcyjnych kamieni moczowych. Wzrost zachodzi ze sztucznego moczu, skala: 20mm;

Szczegółowa analiza: J. Prywer, A. Torzewska, Cryst. Growth Des. 9 (2009) 3538–3543 i J. Prywer, A. Torzewska, Cryst. Res. Technol, in Press.

Jest wiele innych przykładów kryształów będących rezultatem biokrystalizacji. Na przykład kryształy magnetytu są używane przez wiele bakterii i zwierząt do orientacji względem ziemskiego pola magnetycznego. Kryształy węglanu wapnia
i fosforanu wapnia wchodzą w skład szkieletów wielu organizmów żywych. Przykładem szkieletu zewnętrznego są muszle mięczaków, które stanowią najczęściej ich ochronę przed czynnikami zewnętrznymi, głównie drapieżnikami. Istnieją również szkielety wewnętrzne, które oprócz innych funkcji, służą organizmom morskim przeciwstawieniu się bardzo wysokiemu ciśnieniu hydrostatycznemu panującemu w głębinach oceanów i mórz.

Innym przykładem biokrystalizacji jest tworzenie się infekcyjnych kamieni moczowych w przebiegu infekcji dróg moczowych. Prowadzone badania wskazują, że głównym czynnikiem zapoczątkowującym tworzenie tzw. infekcyjnych kamieni moczowych jest ureaza – enzym produkowany przez bakterie wywołujące infekcje dróg moczowych. Pod wpływem bakterii w  drogach moczowych krystalizuje fosforan amonowo-magnezowy i węglan fosforowo-wapniowy. Polisacharydy występujące na powierzchni komórek bakteryjnych sprzyjają agregacji poszczególnych kryształów oraz adhezji bakterii do nabłonka dróg moczowych, co w konsekwencji prowadzi do powstania kamienia.

Cele sekcji biokrystalizacji

Zainteresowanie biokrystalizacją wynika z ważnej roli jaką procesy biokrystalizacji odgrywają w biologii, biotechnologii, czy medycynie oraz z inspiracji, która wynika ze zrozumienia tych zjawisk. Celem sekcji biokrystalizacji jest badanie podstawowych mechanizmów leżących u podstaw procesów biokrystalizacji oraz ich możliwych zastosowań. Jednakże duża różnorodność procesów biokrystalizacji powoduje konieczność synergii potencjałów naukowych specjalistów wielu dziedzin. Dlatego też celem sekcji biokrystalizacji jest również sprowokowanie dyskusji o podstawowych i stosowanych aspektach biokrystalizacji poprzez zintegrowanie środowiska fizyków, chemików, biologów, mikrobiologów, lekarzy
i inżynierów oraz promowanie nowych, interdyscyplinarnych wyzwań.

Powyższy, zwięzły opis nie obejmuje wszystkich aspektów bikokrystalizacji, jednakże wszystkich zainteresowanych zarówno obecnych członków Polskiego Towarzystwa Wzrostu Kryształów,  jak
i naukowców nie związanych jeszcze z naszym Towarzystwem zapraszam do współpracy, wymiany doświadczeń i dyskusji.

dr hab. inż. Jolanta Prywer, prof. PŁ

Przewodnicząca Sekcji Biokrystalizacji