СУЧАСНІ НАПРЯМИ ДОСЛІДЖЕНЬ У БІОМІНЕРАЛОГІЇ
DOI:
https://doi.org/10.30970/min.76.09Ключові слова:
біомінералогія, біомінералізація, мікробна біомінералізація, патологічна мінералізація, біоміметичні матеріали, гідроксо-апатит, кристалохімія біогенних фаз, наноструктура мінералівАнотація
Біомінералогія на сучасному етапі є однією з найбільш динамічних міждисциплінарних галузей науки, у якій інтегровані методичні підходи мінералогії, геохімії, молекулярної біології, медицини і матеріалознавства. У статті узагальнено сучасні напрями досліджень у біомінералогії та проаналізовано основні тенденції її розвитку. Особливу увагу зосереджено на механізмах біомінералізації як процесу утворення твердих неорганічних фаз за безпосередньої участі біологічних чинників. Розглянуто суттєві відмінності між біологічно індукованою мінералізацією (BIM), характерною головно для мікробних систем, і біологічно контрольованим мінералоутворенням (BCM), властивим вищим організмам. Проаналізовано роль органічних матриць, зокрема специфічних білків і полісахаридів, у процесах нуклеації, орієнтованого росту і просторової організації кристалів, що забезпечує формування біогенних мінералів з унікальною ієрархічною будовою та специфічними фізико-хімічними властивостями. Схарактеризовано основні природні модельні системи, серед яких біогенні карбонати кальцію (кальцит, арагоніт і вітерит у складі скелетів безхребетних і кокколітофор), фосфати кальцію (зокрема, гідроксо-апатит кісткової тканини), а також біогенний опал діатомей і магнетит магнітотактичних бактерій. Окрему увагу приділено мікробній біомінералізації як важливому чиннику геохімічної трансформації середовища, патологічній мінералізації в організмі людини та біоміметичним напрямам у створенні нових функціональних матеріалів. Сучасна біомінералогія має важливе значення для реконструкції палеоекологічних умов, розвитку регенеративної медицини та дослідження біогеохімічних процесів. Окреслено перспективи переходу до мультимасштабного дослідження складу й структури речовини на мікро-, нано- й атомному рівнях із використанням різноманітних спектроскопічних методів і синхротронного випромінювання. Інтеграція цих підходів є фундаментом для розуміння закономірностей мінералоутворення в живій і неживій природі та розкриття ролі біоти у глобальних геохімічних циклах.
Посилання
Arshynnikov R. S., Kulygina V. N., Drohomyretska M. S., Poberezhna H. M., Polyanyk N. Y., Sukhomlynova T. Y. Morphological study of hard dental tissue condition with various types of dental deposits. Reports of Morphology. 2024. Vol. 30. No. 4. P. 5–11. https://doi.org/10.31393/morphology-journal-2024-30(4)-01
Bartholdy B. P., Velsko I. M., Gur-Arieh S., Fagernäs Z., Warinner C., Henry A. G. Assessing the validity of a calcifying oral biofilm model as a suitable proxy for dental calculus. bioRxiv. 2023. https://doi.org/10.1101/2023.05.23.541904
Bazin D., Carpentier X., Brocheriou I., Dorfmüller P., Aubert S., Chappard C., Thiaudière D., Reguer S., Waychunas G., Jungers P., Daudon M. Revisiting the localisation of Zn²⁺ cations sorbed on pathological apatite calcifications made through X-ray absorption spectroscopy. Biochimie. 2009. Vol. 91. No. 10. P. 1294–1300. https://doi.org/10.1016/j.biochi.2009.05.009
Benzerara K., Miot J., Morin G., Ona-Nguema G., Skouri-Panet F., Férard C. Significance, mechanisms and environmental implications of microbial biomineralization. Comptes Rendus Geoscience. 2011. Vol. 343. No. 2–3. P. 160–167. https://doi.org/10.1016/j.crte.2010.09.002
Branson O., de Nooijer L. J. Calcium carbonate biomineralisation: Insights from trace elements. Elements. 2025. Vol. 21. No. 2. P. 105–111. https://doi.org/10.2138/gselements. 21.2.105
Cölfen H. Biomineralization: A crystal-clear view. Nature Materials. 2010. Vol. 9. No. 12. P. 960–961. https://doi.org/10.1038/nmat2911
DiCecco L.-A., Gao R., Gray J. L., Kelly D. F., Sone E. D., Grandfield K. Liquid transmission electron microscopy for probing collagen biomineralization. Nano Letters. 2023. Vol. 23. No. 21. P. 9760–9768. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c02344
Eltarahony M., Jestrzemski D., Hassan M. A. A comprehensive review of recent advancements in microbial-induced mineralization: Biosynthesis and mechanism, with potential implementation in various environmental, engineering, and medical sectors. Science of the Total Environment. 2025. Vol. 978. Art. 179426. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2025.179426
Guo J., Gao F., Zhang F., Zhao X., Zhao R. Biomineralization-driven advances in materials science and biomedical engineering. JACS Au. 2025. Vol. 5. No. 9. P. 4134–4154. https://doi.org/10.1021/jacsau.5c00669
Hasan A., Chuvilin A., Van Teijlingen A., Rouco H., Parmenter C., Venturi F., Fay M., Greco G., Pugno N. M., Ruben J., Edwards-Gayle C. J. C., Myers B., Dreveny I., Cowieson N., Winter A., Gamea S., Walboomers X. F., Hussain T., Rodríguez-Cabello J. C., Rawson F., Tuttle T., Elsharkawy S., Banerjee A., Habelitz S., Mata A. Biomimetic supramolecular protein matrix restores structure and properties of human dental enamel. Nature Communications. 2025. Vol. 16. No. 1. Art. 9434. https://doi.org/10.1038/s41467-025-64982-y
Holmes N. P., Chen Y.-S., Niu R., McGuire H., Cairney J. M., Chen E. Y.-S. Probing the near-atomic scale structure of hard biological materials with atom probe tomography: A review. Solid State and Materials Science. 2025. Vol. 39. Art. 101241. https://doi.org/10.1016/j.cossms.2025.101241
Hu H., Lin Y., Yang B., Wen X., Ma P., Loh X. J., Luo Z., Li Z., Wu Y.-L. Biomineralization-inspired functional biomaterials: From principles to practice. Chemical Engineering Journal. 2024. Vol. 504. Art. 158624. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158624
Karim B., Görgen S., Athar K. M., Chauvat F., March K., Menguy N., Lopez-Adams E., Cordier L., Labarre J., Belhadj O., Duprat E., Poinsot M., El Albani A., Gérard E., Jebbar M., Benzerara K. Quantitative mapping of calcium cell reservoirs in cyanobacteria at the submicrometer scale. Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 2023. Vol. 267. Art. 147369. https://doi.org/10.1016/j.elspec.2023.147369
Kim S. H., Ki M.-R., Han Y., Pack S. P. Biomineral-based composite materials in regenerative medicine. International Journal of Molecular Sciences. 2024. Vol. 25. No. 11. Art. 6147. https://doi.org/10.3390/ijms25116147
Li S., Li C., Gao X., Zhu M., Li H., Wang X. Biomineralization mediated by iron-oxidizing microorganisms: Implication for the immobilization and transformation of heavy metals in AMD. Minerals. 2025. Vol. 15. No. 8. Art. 868. https://doi.org/10.3390/min15080868
Lowenstam H. A., Weiner S. On biomineralization. New York: Oxford University Press, 1989. 324 p.
Micheletti C., Shah F. A. Bone hierarchical organization through the lens of materials science: Present opportunities and future challenges. Bone Reports. 2024. Vol. 22. Art. 101783. https://doi.org/10.1016/j.bonr.2024.101783
Popova E., Tkachev S., Shapoval A., Karpenko A., Lee Y., Chislov P., Ershov B., Golub D., Galechyan G., Bogoedov D., Akovantseva A., Gafarova E., Musaelyan R., Schekleina M., Clark S., Ali S., Dymov A., Vinarov A., Glybochko P., Timashev P. Kidney stones as minerals: How methods from geology could inform urolithiasis treatment. Journal of Clinical Medicine. 2025. Vol. 14. No. 3. Art. 997. https://doi.org/10.3390/jcm14030997
Sanyal S. K., Scott C., Nagaraj V., Speight R., Ahmed F. H. Harnessing the biomolecular mechanisms of marine biomineralisation for carbon sequestration. Biotechnology Advances. 2025. Vol. 83. Art. 108644. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2025.108644
Sedek E. M., Holiel A. A. Next-generation strategies for enamel repair and regeneration: Advances in biomaterials and translational challenges. Tissue Engineering and Regenerative Medicine. 2025. Vol. 22. No. 6. P. 771–789. https://doi.org/10.1007/s13770-025-00725-w
Shah F. A. Revisiting the physical and chemical nature of the mineral component of bone. Acta Biomaterialia. 2025. Vol. 196. P. 1–16. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2025.01.055
Song J.-H., Liu M.-Y., Ma Y.-X., Wan Q.-Q., Li J., Diao X.-O., Niu L.-N. Inflammation-associated ectopic mineralization. Fundamental Research. 2023. Vol. 3. No. 6. P. 1025–1038. https://doi.org/10.1016/j.fmre.2022.04.020
Trzybiński D., Ziemniak M., Olech B., Sutuła S., Góral T., Bemowska-Kałabun O., Brzost K., Wierzbicka M., Woźniak K. MicroED: Unveiling the structural chemistry of plant biomineralisation. Molecules. 2024. Vol. 29. No. 20. Art. 4916. https://doi.org/10.3390/molecules29204916
Wan J., Ji R., Liu J., Ma K., Pan Y., Lin W. Biomineralization in magnetotactic bacteria: From diversity to molecular discovery-based applications. Cell Reports. 2024. Vol. 43. No. 12. Art. 114995. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2024.114995
Wei Y., Dang G.-P., Ren Z.-Y., Wan M.-C., Wang C.-Y., Li H.-B., Zhang T., Tay F. R., Niu L.-N. Recent advances in the pathogenesis and prevention strategies of dental calculus. npj Biofilms and Microbiomes. 2024. Vol. 10. No. 1. Art. 56. https://doi.org/10.1038/s41522-024-00529-1
Weiner S., Dove P. M. An overview of biomineralization processes and the problem of the vital effect. Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 2003. Vol. 54. No. 1. P. 1–29. https://doi.org/10.2113/0540001
Yang W., Wang B., Ren Y., Li W., Li X. Multiscale characterization of bone mineralization reveals an amorphous–nanocrystalline apatite phase intimately associated with collagen. Materials & Design. 2026. Vol. 261. Art. 115362. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.115362
Yao J., Farrar C. T., Aikawa E., Sosnovik D. E., Moon B. F., Kulkarni A., Ackerman J. L. Ex vivo phosphorus-31 solid-state magnetic resonance spectroscopy identifies compositional differences between bone mineral and calcified vascular tissues. Frontiers in Cardiovascular Medicine. 2025. Vol. 12. Art. 1689116. https://doi.org/10.3389/fcvm.2025.1689116
Zhao Q., He M., Shu J., Huang Y., Chen J., Guo W. Enzyme-regulated biomineralization: Biological functions and advanced biomaterials for tissue regeneration. Bioactive Materials. 2026. Vol. 59. P. 135–160. https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2025.12.041
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
