Kollagen är en nyckelkomponent i den extracellulära matrisen (ECM), ett komplext nätverk av molekyler som ger strukturellt stöd till celler. I ben mineraliseras ECM med kalcium och fosfat för att bilda hydroxiapatit, den huvudsakliga mineralkomponenten i ben som ger dem deras hårdhet och motståndskraft mot frakturer.
Forskargruppen, ledd av ORNLs Karthik Raman, använde en kombination av neutronspridning och beräkningsmodellering för att studera kollagenets struktur och dynamik och dess interaktioner med hydroxiapatit. Neutronspridning är en kraftfull teknik för att studera struktur och beteende hos material på molekylär nivå. Neutroner är subatomära partiklar utan elektrisk laddning, så de kan penetrera material djupt utan att orsaka skada.
Experimenten visade att mineraliseringsprocessen involverar bildandet av en mineral-kollagenkomposit som har en hierarkisk struktur. Kompositen är sammansatt av kollagenfibriller som är tvärbundna av mineralkristaller. Denna struktur ger ben med sin mekaniska styrka och flexibilitet.
Raman förklarade, "Neutronerna tillät oss att se hur kollagenmolekylerna är ordnade och hur de interagerar med mineralkristallerna. Denna information är avgörande för att förstå hur ben kan motstå mekaniska krafter och reparera sig själva när de skadas."
Forskarna fann att mineraliseringsprocessen är mycket reglerad och att störningar i denna process kan leda till benstörningar. Till exempel, vid osteoporos, ett tillstånd som kännetecknas av minskad bentäthet och ökad benskörhet, försämras mineraliseringsprocessen.
"Våra resultat tyder på att inriktning på mineraliseringsprocessen kan vara en potentiell terapeutisk strategi för förebyggande och behandling av bensjukdomar," sa Raman. "Genom att förstå hur mineraliseringsprocessen fungerar kan vi utveckla nya behandlingar som kan hjälpa till att upprätthålla friska ben och förhindra frakturer."
Studien är publicerad i tidskriften Nature Communications.
