Vatten bestämmer livet:människor är tre fjärdedelar vatten. Ett internationellt forskarlag under ledning av universitetet i Amsterdam (UvA) har nu upptäckt hur vatten också bestämmer strukturen på materialet som håller oss samman:kollagen.
I en tidning publicerad i PNAS , forskarna klarlägger vattnets roll i den molekylära självmonteringen av kollagen. De visar att genom att ersätta vatten med sin "tvillingmolekyl" tungt vatten (D2 O), kan man "justera" interaktionen mellan kollagenmolekyler och på så sätt påverka processen för självmontering av kollagen. Fynden kommer att hjälpa till att bättre förstå vävnadsfel till följd av ärftliga kollagenrelaterade sjukdomar, såsom benskörhet (osteogenesis imperfecta).
Som huvudförfattaren Dr. Giulia Giubertoni från UvA:s Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences (HIMS) uttrycker det:"När man studerar dessa och andra kollagensjukdomar har många forskare, inklusive jag själv, ... alltid missat en viktig del av pussel, och möjligheten att vävnadsfel delvis kan bero på vatten-kollagen-interaktion togs inte på stort allvar. Vi visar nu att att störa vattenlagret runt proteinet, till och med mycket lite, har dramatiska effekter på kollagensammansättningen."
Giubertoni vill göra forskare inom kollagen-sjukdomssamhället medvetna om att mycket subtila förändringar i vatten-kollageninteraktionen kan bidra till kollagensjukdomar. Dessa förändringar kan potentiellt uppstå, till exempel, från mutationer i kollagenproteinet som förekommer vid genetiska sjukdomar. Forskarna föreslår också att förändrade interaktioner mellan vatten och kollagen är en bidragande faktor i olika åldersrelaterade sjukdomar som involverar vävnadsdysfunktion.
Kollagen är till stor del "de saker vi är gjorda av" – ungefär en tredjedel av allt protein i vår kropp är kollagen som säkerställer den mekaniska integriteten hos all mänsklig bindväv.
Till exempel sträcker sig vår hud och artärer utan att rivas och våra ben kan motstå hög stress utan att gå sönder. Kollagen produceras av våra celler som enstaka proteiner som sätts samman till större strukturer som kallas fibriller. Dessa fibriller sätts ytterligare samman till nätverk som bildar ställningar för våra vävnader.
Eftersom kollagen bildas i den vattenhaltiga miljön av mänskliga celler, spelar vatten en avgörande roll i dess montering. Interaktionen mellan vattenmolekyler och proteiner resulterar i kollagen som är bäst lämpad för sin funktion. Men exakt vad ligger bakom denna kollagenoptimerande roll för vatten? Hur gör vatten det? Och kommer förståelsen av denna mekanism att ge insikter om tillstånd där något är fel med kollagen, såsom osteogenesis imperfecta? Dessa var de centrala frågorna i den forskning som publicerades i PNAS .
Introduktion av tungt vatten
För att undersöka vattnets roll i kollagenbildningen beslutade Giubertoni – tillsammans med sin UvA-kollega Prof. Sander Woutersen och deras samarbetspartner Prof. Gijsje Koenderink (Delfts tekniska universitet) – att ersätta vatten med dess tyngre "tvillingmolekyl" D 2 O. Upptäcktes ursprungligen av Nobelpristagaren Harold Urey 1931, i D2 O väteatomerna (H) i vattnet ersätts med isotopen deuterium (D) som har en tillsatt neutron i sin kärna. D2 O eller "tungt vatten" är alltså den "närmaste ersättningen" till vanligt vatten i naturen.
Men i interaktion med proteiner, D2 O är mindre potent än H2 O. Detta beror på att bindningar mellan D2 O-molekyler (så kallade vätebindningar) är starkare än de mellan H2 O molekyler. Detta påverkar interaktionen med proteiner som kollagen.
Giubertoni, Woutersen och Koenderink var angelägna om att studera effekten detta skulle ha på kollagensammansättningen. Tillsammans med ett multidisciplinärt samarbetsforskningsnätverk kunde de konstatera att användningen av tungt vatten resulterar i tio gånger snabbare kollagenbildning, och i slutändan ett mindre homogent, mjukare och mindre stabilt kollagen-fibernätverk.
Förklaringen är att tungvattnets minskade interaktion med kollagenproteinet gör det lättare för proteinet att "skaka av sig" D2 O molekyler och omorganisera sig själv.
Detta ökar bildningen av kollagennätverket, men resulterar också i ett slarvigare, mindre optimalt kollagennätverk. Vatten fungerar således som en förmedlare mellan kollagenmolekyler och saktar ner sammansättningen för att garantera de funktionella egenskaperna hos levande vävnader.
Denna upptäckt ger nya perspektiv på hur vatten påverkar egenskaperna hos kollagen, vilket möjliggör exakta justeringar av de mekaniska egenskaperna hos levande vävnader. Det skapar också nya vägar för att skapa kollagenbaserade material där makroskopiska egenskaper kan kontrolleras och finjusteras av subtila variationer i lösningsmedlets sammansättning, snarare än att göra betydande förändringar i den kemiska strukturen hos de molekylära byggstenarna.
Ett liknande "undersökande" tillvägagångssätt kan också användas i framtiden för att belysa vattnets roll för att driva och styra sammansättningen av andra proteiner som kan monteras i större strukturer. Giubertoni kommer att gå vidare med att studera hur defekter i kollagen påverkar dess interaktion med vatten, och vilken roll detta spelar i vävnadsfel vid kollagensjukdomar.
Mer information: Giulia Giubertoni et al, Belysande av vattnets roll vid självmontering av kollagen genom isotopisk modulering av kollagenhydrering, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2313162121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av University of Amsterdam
