Kristallijne tegelttjes uit het zilt; Paarlemoer geeft zijn geheim moeilijk prijs

ISAAC NEWTON beschreef zichzelf kort voor zijn dood als een kind dat aan het strand aan het spelen is en zich verheugt in de vondst van een kiezelsteentje of schelp, “terwijl de oceaan der waarheid zich onontdekt voor mij uitstrekte”. Het lijkt erop alsof Daniel Morse, hoogleraar aan de universiteit van California in Santa Barbara, dat beeld wat al te letterlijk heeft genomen. Al meer dan tien jaar houdt hij zich bezig met onderzoek naar de structuur en de groei van schelpen.

Maar wat wil je als je laboratorium op vijf minuten van het strand ligt. Geen wonder dat je dan geboeid raakt door het paarlemoer dat de binnenkant vormt van de huisjes van weekdieren als de rode abalone, Haliotis rufescens. Dat materiaal beschikt niet alleen over opvallende optische eigenschappen - waardoor het al eeuwenlang zeer gewild is -, maar is ook uitzonderlijk sterk.

Hoewel het wat chemische samenstelling betreft identiek is aan het vrij zachte kalksteen, is het toch zo hard dat je er een spijker mee in hout kunt slaan. Dat komt doordat het een composiet is, een materiaal samengesteld uit verschillende componenten. Aan de binnenkant bestaat het uit op elkaar gestapelde laagjes van aragoniet, een speciale vorm van kalksteen of calciumcarbonaat. Die laagjes hebben een dikte van 0,5 tot 1 micron (een micron is eenduizendste millimeter), wat overeenkomt met de golflengte van zichtbaar licht. Daardoor veroorzaken ze via interferentie de veelkleurige reflecties van het licht die zo karakteristiek zijn voor het paarlemoer. En zo'n laag is weer opgebouwd uit veelkantige tegeltjes, elk zo'n tien micron groot. Deze worden bij elkaar gehouden door een dunne laag 'specie', bestaande uit organisch materiaal, van onder meer eiwitten. Hoewel dit niet meer dan 1 procent van de totale massa van de schelp uitmaakt, zorgt het er toch voor dat hij duizend keer sterker is dan de kalksteen waar die uit bestaat.

De vorming van paarlemoer is met raadsels omgeven. Vast staat dat er eiwitten bij betrokken zijn, maar wat zich allemaal afspeelt vanaf het moment dat de abalone-larve ter wereld komt, is grotendeels onbekend. Hoe een dergelijke biomineralisatie genetisch geregeld wordt, weet niemand. Morse en zijn team hebben de laatste paar jaar niettemin stappen gezet die hen dichterbij de opheldering van het geheim achter het paarlemoer hebben gebracht.

Allereerst werd nòg beter naar de structuur van de schelp gekeken. Tot voor kort was dat alleen goed mogelijk met behulp van een elektronenmicroscoop. Daarvoor moet de schelp in een vacuüm worden gebracht, zodat alleen momentopnamen kunnen worden gemaakt. Maar dank zij de ontwikkeling van de Atomic Force Microscoop is het nu mogelijk in een vloeistof te kijken en dus tot in detail het aangroeien of oplossen van de kalktegeltjes te volgen. Voor het eerst kon zo worden bekeken hoe de opeengestapelde lagen aan elkaar vastzitten: met dunne kalkbruggen aan de rand van de tegeltjes. Deze zorgen ervoor dat er een aaneengeschakelde superstructuur van tegeltjes ontstaat: alles hangt met alles samen. Bovendien bleek de kristallijne oriëntatie binnen een stapel hetzelfde.

Een dergelijke ordening op grote schaal ontstaat zelden toevallig, en ook in dit geval bestond het sterke vermoeden dat daar een soort mal aan ten grondslag moest liggen. Al eerder waren er tijdens de vele groeistadia van de larve tot volwassen schelpdier zo'n tien verschillende eiwitten uit de schelp gesoleerd, die opvallend genoeg allemaal vergelijkbare eigenschappen bezitten: ze zijn sterk zuur, binden calcium-ionen, en lijken qua opbouw op fibrone, de belangrijkste grondstof van zijde. Naast elkaar vormen de eiwitketens een geplooide structuur, waar de zure groepen aan de bovenkant uitsteken. Deze bieden zo als het ware landingsplaatsen voor de calciumionen, die de basis voor het kalkkristal vormen. Het opvallende was dat naarmate een eiwit in een later stadium van de groei van de schelp verscheen, het een steeds hogere fractie van een bepaald aminozuur, asparaginezuur bevatte, terwijl de concentratie van een ander aminozuur, glutaminezuur, juist afnam.

De hypothese ontstond dat de veranderingen in deze eiwitten weleens direct verantwoordelijk zouden kunnen zijn voor de veranderingen in kristalstructuur van de schelp die tijdens de groei optreden. Aan de buitenkant bestaat deze namelijk uit calciet, terwijl de binnenkant voornamelijk gevormd wordt door de aragoniettegeltjes. Die waarneming werd nog eens bevestigd toen het mogelijk bleek het paarlemoer te laten groeien op glasplaatjes die in de 'levende' schelp werden gestoken. Ook bij deze 'platte parels' werd op het glas eerst een dun calcietlaagje neergelegd op een eiwitsubstraat gevolgd door aragoniet (Nature, 1 september 1994, pag. 49).

MACROMOLECUUL

Maar nog altijd bleef de vraag open of de eiwitten alléén voldoende waren om de verandering in kristalstructuur te bewerkstelligen. Op zichzelf zou het verrassend zijn dat de groei van uiterst regelmatige, kristallijne structuren gestuurd zou kunnen worden door zoiets flexibels als een biologisch macromolecuul. Onlangs liet Morse zien dat dat inderdaad het geval is (Nature, 2 mei 1996, pag. 56). Door 'aragoniet-eiwit' toe te voegen aan een oplossing van calciumcarbonaat, kon de groei van calciet worden tegengehouden en werd alleen nog maar aragoniet gevormd. Dat lijkt een simpel experiment, maar het is al bijzonder ingewikkeld om de afzonderlijke eiwitten in zuivere vorm in handen te krijgen. Zo moesten er speciale kleuringstechnieken worden ontwikkeld om ze van elkaar te kunnen onderscheiden. Bovendien slaagde men erin om zelf een heel nieuw eiwit-achtig molecuul te synthetiseren dat hetzelfde effect heeft als zijn natuurlijke verwanten. Hiermee werd een kristalstructuur tot groei gebracht die weliswaar veel weg heeft van die in de abalone schelp, maar er toch van verschilt.

De hoop is natuurlijk dat de natuur verbeterd kan worden en dat nog sterkere - en misschien nog mooiere - materialen in de toekomst in het laboratorium tot groei kunnen worden gebracht.

    • Rob van den Berg