Kemik Gelişiminde Yeni Hücresel Keşifler
Fotoğraf: Kalsiyum fosfat mineralizasyonu hem ekstra hem de intrafibriler boşluklarda oluşur (sırasıyla sol ve sağ görüntüler). St. Louis’ de Washington Üniversitesi’ndeki mühendisler; sınırlı kolajen yapısının, kemik mineralizasyonu için intrafibriler nükleasyona karşı termodinamik enerji bariyerini azaltmaya nasıl katkıda bulunduğunu kanıtladılar.
Çoğumuz, bir ağrı veya kırılma yaşamayana kadar dişlerimizi ve kemiklerimizi düşünmüyoruz. St. Louis’de Washington Üniversitesi’ndeki mühendislerden oluşan bir ekip, vücudun yeni kemik ve dişleri nasıl oluştuğunu görmek ve kemiklerin daha hızlı iyileşmesi ve yeni biomalzemeler hakkında bilgi edinmek amacıyla; kollajen liflerinin derinliklerine baktı.
Mühendislik ve Uygulamalı Bilim okulunda, Çevresel Nanokimya laboratuarının müdürü olan ve aynı zamanda enerji, çevre ve kimya mühendisliği profesörü Young-Shin Jun, bir sıvı sisteminde katı bir faz oluşturmanın ilk adımı olan nükleasyon konusunda uzmanlardan oluşan bir ekibin liderliğini yapıyor.
Kemik ve dişlerdeki minerallerin nükleasyonu iyi anlaşılmamış olsa da; araştırmacılar kemik minerallerinin, deride ve diğer bağ dokularında bulunan ana protein olan kollajenin içinde oluştuğunu bilmektedirler. Young-Shin Jun’ın laboratuvarında doktora öğrencisi olan Jun ve Doyoon Kim, kolajen lif yapısındaki minik boşlukların kemik oluşumu ve bakımı için gerekli olan kalsiyum fosfatın çekirdeklenmesini nasıl kolaylaştırdığını incelediler.
Yakın zamanda Nature Communications dergisinde yayınlanan bulgular, sınırlı bir alanda mevcut olan kalsiyum fosfat nükleasyon teorisine yeni bir bakış açısı sağlamaktadır.
Ekip, bir kollajen boşluğunda ki (yaklaşık 2 nanometre yüksekliğinde ve 40 nanometre genişliğinde) çekirdeklenmeyi gözlemlemek için, Argonne Ulusal Laboratuvarı‘nda Gelişmiş Foton Kaynağı araştırma tesisinde, küçük açılı X-ışını saçılımı ile kalsiyum fosfat nükleasyonunu araştırdı. Bir inhibitör olmadan, başlangıçta nükleasyonun kollajen boşluğunun dışında meydana geldiğini buldular. Daha sonra bir inhibitör eklediklerinde, nükleasyon sürecinin çoğu kollajen boşluğunun içinde meydana geldi. Jun, kollajen boşluğundaki aşırı sınırlı alanın, kalsiyum fosfatın sadece boşluk boyunca oluşmasını ve boşluk yan duvarları ile yüzey etkileşimlerini en aza indirmesini sağladığını söyledi. Başka bir deyişle, kollajen boşluğunun topografisi enerji maliyetini düşürür ve nükleasyon sağlar.
Jun, “Yeni kemiklerin nasıl oluştuğunu anladığımızda, nerede oluşması gerektiğini değiştirebiliriz. Önceden, kolajen fibrillerinin pasif şablonlar olarak kullanılabileceğini düşündük. Fakat bu çalışma, kollajen fibrillerinin nükleasyon yollarını ve enerji bariyerlerini kontrol ederek, biomineralizasyonda aktif rol oynadığını doğrulamıştır. Eğer kimyasını değiştirebilirsek ve kemik minerallerini daha hızlı veya daha güçlü hale getirmek için sinyaller gönderebilirsek, bu tıbbi alanda yararlı bir gelişme olacaktır” dedi.
Bu çalışma çekirdeklenmenin biyolojik yönlerine odaklanırken; Jun, sınırlandırılmış çekirdekleşmenin ileri düzeyde anlaşılması kimya mühendisliği, malzeme bilimi ve çevre bilimi ve mühendisliği için de kullanılabilir olduğunu söyledi.
Jun “Sınırlandırılmış alan, çok fazla araştırmamış olduğumuz ve her zaman bir alan sınırlaması olmaksızın yeni materyal oluşumunu düşündüğümüz, biraz merak uyandıran garip bir yer” dedi. Bununla birlikte yeryüzünde de, kalsiyum karbonat veya kalsiyum sülfatın kabuk olarak oluştuğu yeraltı ortamları veya su filtrasyon membranlarındaki gözenekler gibi çok fazla sınırlı alanlar var. Bu makale, sağlık açısından hızlı bir değerlendirmedir, fakat bu yeni bilgi enerji ve su sistemlerine de geniş ölçüde uygulanabilir” diyor.
Kaynak: phys.org