_ Cum apa ghidează asamblarea colagenului, elementul de bază al tuturor oamenilor

Apa determină viața: oamenii sunt trei sferturi apă. O echipă internațională de cercetare condusă de Universitatea din Amsterdam (UvA) a descoperit acum cum apa determină și structura materialului care ne ține împreună: colagenul.

Într-o lucrare publicată în PNAS, cercetătorii elucidează rolul apei în autoasamblarea moleculară a colagenului. Ei arată că, prin înlocuirea apei cu apa grea (D2O), cu „moleculele gemene”, se poate „ajusta” interacțiunea dintre moleculele de colagen și astfel influența procesul de auto-asamblare a colagenului. Descoperirile vor ajuta la o mai bună înțelegere a deficiențelor tisulare care rezultă din bolile ereditare legate de colagen, cum ar fi boala oaselor fragile (osteogeneza imperfectă).

Ca autor principal, dr. Giulia Giubertoni de la Institutul Van 't Hoff de la UvA. pentru Molecular Sciences (HIMS) spune: „În studierea acestor și a altor boli de colagen, mulți cercetători, inclusiv eu,... au omis întotdeauna o parte importantă a puzzle-ului și posibilitatea ca insuficiența țesuturilor să fie parțial din cauza apei. Interacțiunea colagenului nu a fost luată foarte în serios. Acum arătăm că perturbarea stratului de apă din jurul proteinei, chiar și foarte puțin, are efecte dramatice asupra ansamblării colagenului.”

Giubertoni vrea să facă cercetători în comunitatea bolilor de colagen. conștient de faptul că schimbările foarte subtile ale interacțiunii apă-colagen ar putea contribui la bolile de colagen. Aceste modificări pot apărea, de exemplu, din mutațiile proteinei de colagen care apar în bolile genetice. Cercetătorii sugerează, de asemenea, că interacțiunile modificate dintre apă și colagen sunt un factor care contribuie la diferite boli legate de vârstă, care implică disfuncția țesuturilor.

Colagenul este în mare măsură „materialul din care suntem făcuți” – în jurul unui o treime din proteinele din corpul nostru este colagenul care asigură integritatea mecanică a întregului țesut conjunctiv uman.

De exemplu, pielea și arterele noastre se întind fără a se rupe, iar oasele noastre pot rezista la stres ridicat fără a se rupe. Colagenul este produs de celulele noastre ca proteine ​​unice care se adună în structuri mai mari numite fibrile. Aceste fibrile se adună în continuare în rețele care formează schelele pentru țesuturile noastre.

Deoarece colagenul se formează în mediul apos al celulelor umane, apa joacă un rol crucial în asamblarea acesteia. Interacțiunea moleculelor de apă cu proteinele are ca rezultat colagenul cel mai potrivit pentru funcția sa. Dar ce se află exact în spatele acestui rol de optimizare a colagenului al apei? Cum face apa? Și înțelegerea acestui mecanism va oferi informații despre condițiile în care ceva este în neregulă cu colagenul, cum ar fi osteogeneza imperfectă? Acestea au fost întrebările centrale ale cercetării publicate în PNAS.

Introducerea apei grele

Pentru a investiga rolul apei în formarea colagenului, Giubertoni, împreună cu colegul ei UvA, prof. Sander Woutersen și colaboratorul lor, Prof. Gijsje Koenderink (Universitatea de Tehnologie din Delft) — au decis să înlocuiască apa cu „molecula sa geamănă” mai grea D2O. Descoperit inițial de câștigătorul premiului Nobel Harold Urey în 1931, în D2O atomii de hidrogen (H) ai apei sunt înlocuiți cu izotopul deuteriu (D) care are un neutron adăugat în nucleul său. D2O sau „apa grea” este, prin urmare, „cel mai apropiat înlocuitor” de apa obișnuită în natură.

Cu toate acestea, în interacțiunea cu proteinele, D2O este mai puțin puternic decât H2O. Acest lucru se datorează faptului că legăturile dintre moleculele de D2O (așa-numitele legături de hidrogen) sunt mai puternice decât cele dintre moleculele de H2O. Acest lucru afectează interacțiunea cu proteine ​​precum colagenul.

Giubertoni, Woutersen și Koenderink au fost dornici să studieze efectul pe care l-ar avea asupra asamblarii colagenului. Împreună cu o rețea de cercetare colaborativă multidisciplinară, ei au reușit să stabilească că utilizarea apei grele are ca rezultat o formare de colagen de zece ori mai rapidă și, în cele din urmă, o rețea de fibre de colagen mai puțin omogenă, mai moale și mai puțin stabilă.

Explicația este că interacțiunea redusă a apei grele cu proteina de colagen face ca proteina să se „scuture” mai ușor de pe moleculele D2O și să se reorganizeze.

Acest lucru stimulează formarea rețelei de colagen, dar are ca rezultat și o rețea de colagen mai neglijentă, mai puțin optimă. Apa acționează astfel ca un mediator între moleculele de colagen, încetinind asamblarea pentru a garanta proprietățile funcționale ale țesuturilor vii.

Această descoperire oferă perspective noi asupra modului în care apa influențează caracteristicile colagenului, permițând ajustări precise în proprietățile mecanice ale țesuturilor vii. De asemenea, creează noi căi pentru crearea de materiale pe bază de colagen în care proprietățile macroscopice pot fi controlate și ajustate prin variații subtile ale compoziției solventului, mai degrabă decât să facă modificări semnificative în structura chimică a blocurilor moleculare.

O abordare „de investigație” similară ar putea fi, de asemenea, utilizată în viitor pentru a elucida rolul apei în conducerea și ghidarea asamblarii altor proteine ​​capabile să se asambla în structuri mai mari. Giubertoni va continua să studieze modul în care defectele de colagen afectează interacțiunea acestuia cu apa și ce rol joacă aceasta în eșecul țesuturilor în bolile de colagen.

(Fluierul)