Die Evolution von Pränukleationsspezies

Die klassische und seit langem bestehende Nukleations- und Wachstumstheorie (CNT), die die Bildung von Kristallen aus flüssigen Lösungen beschreibt, wurde kürzlich durch die Beobachtung stabiler und löslicher Pränukleationsspezies (PNS) vor der Bildung vieler fester Materialien in Frage gestellt. Dies legt nicht-klassische Kristallisationswege (NCP) als Schlüsselweg zu verschiedenen biologischen und chemischen Architekturen nahe. Das quasi Fehlen von strukturellen und dynamischen Daten bezüglich PNS verschleiert jedoch die Rationalisierung von NCP trotz seiner Bedeutung in sogenannten Biomineralisationsprozessen. Biomineralisation bezeichnet die Fähigkeit lebender Organismen, feste Stoffe zu produzieren. Bei solchen Prozessen, zum Beispiel bei Knochenbildungsereignissen, entstehen innerhalb von Millisekunden Vorläufer von Kristallisationskeimen, wenn Calcium- und Phosphationen in Lösung aufeinandertreffen. Diese zu Beginn des Kristallisationsprozesses auftretenden Spezies sollen im Projekt analytisch charakterisiert und mit hochauflösenden Methoden beobachtet werden, um mit neuen Erkenntnissen und Technologien Biomineralien und deren zugrundeliegende chemische Prozesse umfassend zu beschreiben. Biomineralisationsverfahren sind ideale Kandidaten, um diesen Mangel zu beheben, da sich Biomineralien (insbesondere Calciumphosphat) über PNS-Zwischenprodukte bilden. Es fehlen jedoch Verfahren, die die erforderliche Zeitauflösung für das Studium solcher chemischer Prozesse außerhalb des Gleichgewichts liefern. Dieses Projekt zielt darauf ab, Echtzeit-NMR-Methoden zu entwickeln, um transiente Spezies im Rahmen von NCP, einschließlich PNS, auf atomarer Ebene während der biomineralischen Kristallisation zu beschreiben. Dies wird durch eine innovative Kombination von hyperpolarisierten Flüssigkeits- und Festkörper-Kernresonanz(NMR)-Ansätzen realisiert, ergänzt durch modernste Rechentechniken. PNS sind gelöste Spezies, die als hochdynamische nanometrische ionische Einheiten beschrieben werden, die sich spontan in Lösung vor der Keimbildung fester Phasen bilden. Während des Niederschlags sind sie geschwindigkeitsbestimmende Einheiten, die aus lose koordinierten Ionen im dynamischen Gleichgewicht mit den entsprechenden freien solvatisierten Spezies bestehen. Kürzlich wurden PNS in zwei Typen eingeteilt3, hier bezeichnet als (i) Typ-1-PNS, die in Lösung stabil oder metastabil sind und erst nach Erhalt weiterer Reize an der Präzipitation teilnehmen, und (ii) Typ-2-PNS, die vorübergehend während der Beginn des Phasentrennungsereignisses und die aufgrund ihrer begrenzten Lebensdauer bekanntermaßen schwer zu erkennen und zu charakterisieren sind. Aufgrund der Alterung der Bevölkerung und der Zunahme von Knochenerkrankungen wird das Verständnis der Knochen- und Calciumphosphat-Biomineralisierung zu einer großen Herausforderung. Das Projekt RealTimeNMR wird grundlegendes Wissen über die frühen Stadien der biomineralischen Nukleation liefern, um deren Bildungsmechanismen besser zu verstehen und die Synthesestrateg ie biomimetischer Biomaterialien zu überdenken. Das Projekt zielt darauf ab, die Wissensgrenzen der Chemie des Lebens zu erweitern, bei der die Biomineralisierung ein zentraler Prozess ist.