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Le processus de biominéralisation désigne la capacité des organismes vivants à produire des minéraux (c’est à dire des matériaux solides). Ce phénomène se retrouve fréquemment dans le vivant et est apparu très tôt dans l’histoire de l’évolution (il y a plus de 500 millions d’années). À l’heure actuelle on recense plus d’une soixantaine de biominéraux distincts, qu’il soient amorphes (où les atomes ne sont pas particulièrement ordonnées) ou cristallins, et ceux-ci vont présenter  une grande variété de compositions chimiques, de structures ou de fonctions. Parmi les  plus connus on peut citer :

  • Le phosphate de calcium sous forme d’hydroxyapatite, qui est la composante principale de nos os et de l’émail de nos dents.
  • Le carbonate de calcium peut adopter plusieurs structures. La calcite va former la coquille des crustacées ou des oeufs, tandis que la forme aragonite est à l’origine de la nacre. Les crustacées d’eau douce peuvent également fabriquer des amas de carbonate de calcium amorphe (appelés gastrolithes, ou yeux d’écrevisses) qui vont servir de réserve de calcium en vue de la construction d’une nouvelle carapace lors de la mue.
  • Les silicates peuvent être produits par les éponges, des algues ou des diatomées (des microalgues unicellulaires présentant un squelette externe).
  • Les oxydes de fer tels que la magnétite, peuvent être produits par des bactéries, mais aussi des oiseaux, et ce minéral pourrait leur servir à s’orienter en fonction du champ magnétique terrestre.

Tous ces minéraux sont riches d’informations concernant l’environnement dans lequels ils ont été produits. L’analyse des squelettes de coraux ou des coquilles de mollusques permet ainsi de retrouver la température, la salinité ou la concentration en CO2 de l’eau où ils se sont formés.

Comme on pouvait s’en douter, à l’origine de ce phénomène, il y a toute une armada de protéines qui vont assurer diverses fonctions lors de la biominéralisation : Mettre en place le compartiment cellulaire où le processus va avoir lieu, acheminer les ions (calcium, fer etc…) nécessaires à la formation du solide, ou encore contrôler sa composition et sa structure. Des protéines vont également être intégrées au cristal en formation, ce qui va permettre de consolider celui-ci (et accessoirement, ces mêmes protéines vont se conserver particulièrement longtemps,  ce qui s’avère particulièrement utile du côté de la paléoprotéomique, lorsque que l’on souhaite étudier des séquence anciennes).

Et bien entendu la structure de ces protéines est étroitement lié au rôles qu’elles jouent dans le processus. Ainsi, l’ostéocalcine, qui sert à la formation des os, et la struthiocalcine, qui sert à produire les coquilles d’oeufs, comportent toutes deux à leur surface un grand nombre d’acides aminés chargés négativement. Ceux-ci vont leur permettre de se fixer aux ions calcium (chargés eux positivement) du minéral en formation, afin de diriger celle-ci.

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Deux protéines impliquées dans la biominéralisation, avec leurs acides aminés chargés négativement en rouge, et les ions calciums du minéral en formation tracés en bleu. Image de David Goodsell pour la protéine du mois)

Par ailleurs, le repliement de la struthiocalcine est similaire à celui de la protéine antigel du hareng que nous avons rencontré précédemment, ce qui suggère que ces deux molécules auraient évolué à partir d’un ancêtre commun.

Ces protéines sont une sources d’inspiration pour les chercheur·se·s, et un groupe de recherche a ainsi synthétisé des peptides riches en acides glutamiques (qui vont porter des charges négatives) et capables d’induire la formation de vaterite, une autre variété de carbonate de calcium.

Pour en savoir plus sur la biominéralisation :