Au cours de cette leçon nous avons tout d’abord analysé et décrit les biominéraux rencontrés dans la nature. Ces biomatériaux correspondent principalement aux sources minérales très abondantes présentes sur Terre : des carbonates, phosphates oxalates et sulfates de calcium, de la silice et des silicates et des composés à base de fer. La biominéralisation est un phénomène biologique qui, chez un organisme vivant, permet le passage d’un état solubilisé d’éléments métalliques (ionique ou moléculaire) à l’état solide minéralisé. Au cours de ces processus, on retrouve systématiquement quatre composantes principales : la trame ou gabarit macromoléculaire organique extracellulaire, des cellules spécialisées, des petites molécules organiques, des enzymes… et les constituants minéraux. En prenant comme modèles les biominéraux à base de carbonate de calcium tels que les coccolites et la nacre, nous avons fait le point sur les connaissances actuelles et les mécanismes mis en jeu au cours de ces processus, qui présentent un certain nombre d’éléments communs :
– La cellule contrôle son environnement proche en créant un milieu physico-chimique spécifique dans lequel une matrice organique constituée de biomacromolécules est construite.
– Cette matrice organique sert de gabarit, un espace dans lequel la minéralisation va avoir lieu. Ce gabarit organique définit la structure, texture et forme de l’espace de minéralisation ainsi que ses fonctionnalités. Il est souvent constitué de compartiments ou d’espaces interfibrillaires construits via la formation d’assemblées de cristaux liquides lyotropes à base de chitine ou de collagène. Dans les stades intermédiaires, la formation de gels, de matrices poreuses ou globulaires est souvent observée.
– Cet espace est activé par introduction de biomolécules qui interagissent avec la matrice organique ou/et avec les précurseurs minéraux afin de nucléer les biominéraux (phosphoprotéines dans le cas de la dentine ; protéines riches en aspartate pour les coquillages de mollusque, protéoglycane sulfaté dans le cas de la coquille d’œuf, etc.).
– L’introduction des précurseurs minéraux sous la forme de cations, ou d’oligomères, a lieu par diffusion et transport via des vésicules, des sidérophores, des protéines ou enzymes complexantes, ou des biovalves.
– Le contrôle de la taille et de la forme des « cristallites » formées, qui peut être adressé par des gènes, a lieu par confinement ou/et par inhibition. Ce contrôle est très souvent cinétique et peut conduire dans un premier stade à la formation de phases minérales amorphes, et à des processus de nucléation croissance non conventionnels tels que ceux décrits sous le terme mésocristallisation (voir les leçons 5 et 6 de l’année 2013-2014[1]).
[1] Résumé disponible dans l'Annuaire du Collège de France 2013-2014.
