בתהליך הנקרא ביומינרליזציה, יצורים חיים מייצרים מגוון רחב של מינרלים. לדוגמה, הביומינרל שממנו בנוי השלד שלנו הוא הידרוקסיאפטיט, המכיל יוני סידן, זרחה, הידרוקסיל ופחמה. בחסרי-חוליות רבים השלד חיצוני ובנוי סידן פחמתי, ומשולבים בו חומרים אחרים המשפיעים על תכונות המינרל. גם הקוצים של קיפודי ים וקליפות הביצים של עופות בנויים מגיר. ביומינרלים אלה נוצרים בסביבה ביולוגית, בתנאים ידידותיים לסביבה, ומאפשרים להשיג תכונות ייחודיות – חוזק מכני, פריכות, מסיסות, אופטיות – לפי ייעוד החומר. המדע והטכנולוגיה ניצבים אפוא בפני אתגר: לתכנן ולייצר במעבדה חומרים מורכבים בעלי תכונות מגוונות, תוך יישום עקרונות הלקוחים ממערכות ביולוגיות. הבנת עקרונות אלו תסייע בפיתוח חומרים חדשים. מחקרנו התמקד ברמה הכימית המולקולרית. אשתמש בדוגמאות ממחקרנו כדי להמחיש את מגוון השאלות המחקריות ואת הממצאים. השלד החיצוני והצבתות של סרטני מים מתוקים מורכבים מכִיטִין, רב-סוכר, המוקשח בשכבת סידן פחמתי. כדי לגדול, הסרטן משיל מעליו שוב ושוב את השלד החיצוני הקשיח, ובוקע ממנו עם שלד גמיש המורכב מכיטין בלבד. כדי להכין לעצמו מקום לגדול לתוכו, הסרטן שואב מים ומנפח ומגדיל את השלד הגמיש. כדי לקבע את גודלו ולהתגונן מפני טורפים, על הסרטן להקשיח את השלד בזריזות. לשם כך דרוש לו הגיר. הסרטנים מכינים מראש מאגרי סידן פחמתי, הנקראים גַסטרוֹלִיטים. לאחר ההשלה, הגסטרוליטים משוחררים לקיבה, מומסים ומספקים את הסידן הנחוץ להקשחת השלד. אך לא קל לאחסן סידן פחמתי בצורה זמינה: לגיר נטייה חזקה להתגבש ואז המסתו איטית מאד. לצורך כך משקע הסרטן גיר אמורפי, אך כיצד – כימית – נשמר הגיר בצורה מהירת-תמס וזמינה זו? לצורך המחקר, בודדנו גסטרוליטים ואפיינו אותם כמערכת טבעית. בד בבד, ייצרנו במעבדה מערכת מודל מפושטת ובה מספר מרכיבים קטן. הכלי המחקרי שאִפשר לנו "לראות" את ארגון המולקולות של המרכיבים השונים מבלי לשנות את החומר הנחקר נקרא תהודה מגנטית גרעינית במצב מוצק (תמ"ג, NMR). שיטה זו מאפשרת חקר מבנים מוצקים שאינם גבישיים, וזיהוי של נקודות המגע בין מולקולות גם אם כמותן בחומר קטנה. ראשית חקרנו את ארגון היונים בגסטרוליט. מצאנו שההתגבשות נמנעת כיוון שבסידן הפחמתי מפוזרים ברמה המולקולרית זרחה, מים ושני מטבוליטים. תוספים אלו מונעים את התגבשות הסידן הפחמתי לאחת מצורותיו הגבישיות הבלתי מסיסות (הנפוצות שבהן נקראות קלציט וארגוניט). הגיר שבגסטרוליט נמצא בצורה הנקראת סידן פחמתי אמורפי – כלומר חסר סדר. בצורה זו המסתו מהירה, וכך הוא זמין ביולוגית לשימוש הסרטן בעת ההשלה. עבודה זו נעשתה בשיתוף פעולה עם קבוצת המחקר של פרופ' אמיר שגיא ופרופ' אמיר ברמן מאוניברסיטת בן-גוריון. לאחר שהבנו כי מים וזרחה מסייעים לשמור על הגיר שבגסטרוליטים בצורתו מהירת-התמס, פנינו לניסויי מעבדה. בשיתוף עם קבוצת המחקר של פרופ' ליאה אדדי ופרופ' סטיב ויינר ממכון ויצמן, הכנו סידן פחמתי עם תכולות שונות של זרחה ומים. בתכולה מסוימת של זרחה ומים הצלחנו ליצור מינרל אמורפי הדומה במאפייניו לסידן הפחמתי שבגסטרוליטים של הסרטן – חומר אמורפי יציב "לנצח", שאינו מתגבש. על ידי שינוי המינון של הזרחה והמים, ייצרנו חומר שבתחילה הוא אמורפי (לא-גבישי), ואחר כך הוא מתגבש ספונטנית תוך שהוא מסלק מתוכו את המים והזרחה. תהליך דומה קיים בטבע, ואחראי לבניית הקוצים של קיפודי ים. במחקר זה ביצענו אפוא אפיון מולקולרי של ההרכב והמבנה של ביומינרלים טבעיים, וכן הכנו חומרים סינתטיים בעלי תכונות מוכוונות, אפיַינו אותם וחשפנו את המנגנונים המולקולריים השולטים ביציבותם. מידע זה הוא נדבך-מפתח בתכנון ובבנייה מושכלים של חומרים פונקציונליים והוא בעל פוטנציאל מחקרי וטכנולוגי נרחב.