Localização inesperada de silício em exoesqueleto de carbonato de cálcio de cocolitóforos cultivados e fósseis

Aug 03, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 7417 (2023) Citar este artigo

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Os cocolitóforos, fitoplâncton calcificante marinho, são importantes produtores primários que impactam o ciclo global do carbono em diferentes escalas de tempo. Suas estruturas biominerais, os cocólitos contendo calcita, estão entre as partes duras mais elaboradas de qualquer organismo. Compreender a morfogênese dos cocólitos não é relevante apenas no contexto da ecofisiologia dos cocolitóforos, mas também informará a biomineralização e a pesquisa de design de cristais de maneira mais geral. A recente descoberta de um requisito de silício (Si) para a formação de cristais em alguns cocolitóforos abriu uma nova avenida de pesquisa de biomineralização. Para desenvolver uma compreensão mecanicista do papel do Si, a presença e localização deste elemento químico em cocólitos precisa ser conhecida. Aqui, documentamos pela primeira vez a distribuição desigual de Si em cocólitos Helicosphaera carteri por meio de três técnicas baseadas em síncrotron empregando fluorescência de raios-X e espectromicroscopia infravermelha. O enriquecimento de Si em áreas específicas dos cocólitos aponta para um papel direcionado desse elemento na formação dos cocólitos. Nossas descobertas marcam um passo fundamental na pesquisa de biomineralização porque abrem as portas para uma compreensão mecanicista detalhada do papel que o Si desempenha na formação de cristais de cocólitos.

Cocolitóforos são organismos unicelulares marinhos que cobrem suas células com plaquetas de carbonato de cálcio (CaCO3) – os cocólitos – formando um exoesqueleto chamado cocosfera (Fig. 1a,b)1,2. Uma vez que os cocolitóforos desempenham um papel fundamental no ciclo global do carbono por meio da bomba de carbono orgânico e da contrabomba de carbonato3,4, entender sua fisiologia é fundamental para prever sua futura distribuição e abundância nos oceanos e, portanto, seu papel na fixação e exportação de carbono . Até recentemente, o estudo da fisiologia da calcificação dos cocolitóforos concentrava-se principalmente nos componentes estruturais da calcita dos cocolitos, ou seja, íons de cálcio (Ca2+) e carbono inorgânico dissolvido1,5,6, e no fracionamento de certos elementos menores, como estrôncio (Sr)7 ,8,9. Como o silício não é um componente da calcita, a exigência de Si de algumas espécies de cocolitóforos não era esperada e não foi realizada até Durak et al.10 mostrarem que algumas espécies precisam de Si para calcificar. Essas espécies dependentes de Si expressam transportadores de silicato semelhantes a diatomáceas (SITL), enfatizando o papel de nutriente desempenhado pelo Si10. Considerando a noção contra-intuitiva de uma dependência de Si no processo de produção de calcita (cocolitogênese), não é de forma alguma evidente por que alguns cocolitóforos precisam de Si para sobreviver. Uma pista pode ser obtida a partir do exemplo de Coccolithus braarudii que precisa de uma cocosfera para a divisão celular11. Uma cocosfera intacta depende de cocólitos12 normalmente formados, e a morfogênese normal dos cocólitos, por sua vez, depende do Si nesta espécie11. Mais especificamente, foi demonstrado que a morfogênese do cristal heterococólito (HET) é um processo dependente de Si, em particular a modificação do crescimento do cristal, em oposição à nucleação13. Compreender a cristalização e a modelagem de cristais estão no centro da pesquisa de biomineralização e biomimética (design de cristal). Apesar dessa centralidade da cristalização e modelagem dos cocólitos, esses processos são pouco compreendidos14. A exigência de Si em algumas espécies de cocolitóforos abre uma nova maneira de olhar para o mecanismo da morfogênese biomineral. A pesquisa está em sua infância e ainda faltam dados fundamentais, como a presença e distribuição de Si em cocólitos.

Micrografias da espécie Helicosphaera carteri ao microscópio eletrônico de varredura (MEV). Micrografias coletadas da cultura monoespecífica C1: (a) cocosfera inteira (ampliação de 10.000 ×), (b) cocólito único (25.000 ×) e (c) detalhe da estrutura do elemento de calcita de um cocólito (60.000 ×). Imagens de restos fósseis de H. carteri retirados da amostra F1 (d–e) e F2 (f–g): cocólitos únicos (d 30.000×; f 20.000× ampliação); detalhes do arranjo cristalino da calcita (e 55.000×; g 60.000×). Barras de escala são relatadas para todas as micrografias. Esquema da estrutura do cocólito de H. carteri e terminologia específica redesenhada e modificada de Young et al.22: (h) proximal, (i) corte e (j) vistas distais. Micrografias de cocólitos por trás dos esquemas são da amostra F2: (h) H. carteri, (j) H. wallichii.