sunnuntai 21. huhtikuuta 2013

Luun rakenne on selvitetty lähes atomin tarkkuudella


MIT:n tutkijat ovat kuvanneet luun rakenteen lähes atomin tarkkuudella. Tutkimuksessa selvitetään luun lujuuden molekulaariset syyt. Tutkimus on julkaistu Nature Communications-tiedelehdessä.

Luun molekyylirakenne. (Kuva: MIT)

Kehoamme tukevat erittäin lujat luut muodostuvat niin monimutkaisesta molekyylirakenteesta, että sen selvittäminen on väistänyt parhaita tutkijoitamme vuosikymmenien ajan.

Mutta viimeinkin MIT:n tutkimusryhmä on onnistunut selvittämään luun rakenteen lähes atomin tarkkuudella. Vuosikausia kestäneessä tutkimuksessa käytettiin apuna supertietokoneita ja laboratoriokokeita, joilla lasketut tulokset varmistettiin.

Materiaalitutkija Markus Buehler kertoo, että tehtävänä oli selvittää kuinka kaksi hyvin erilaista materiaalia -  pehmeä ja joustava kollageeni sekä kova ja hauras apatiitti - yhdessä muodostavat kovan, lujan ja joustavan materiaalin.

"Nämä rakenneosat ovat niin erilaisia, että "tarkastelemalla niitä erikseen ei voida päätellä sitä, kuinka luu toimii, Buehler sanoo. "Hydroksiapatiitti on kuin liitua. Se on hyvin haurasta eikä se kestä yhtään taivutusta." Kollageeni - josta liivate tehdään - sensijaan on epämääräistä hyytelömäistä ainetta.

Kumpikaan aine yksinään ei voisi tuottaa kehon tarvitsemaa tukea. "[Luussa] käytetään hyödyksi molempien aineiden parhaat ominaisuudet," Buehler sanoo.

Avain luun ominaisuuksiin on tavassa, jolla nämä kaksi ainetta ovat liittyneet toisiinsa. Ja juuri sitä tiedemiesten on ollut vaikea selvittää. Luu muodostaa monimutkaisen kolmiulotteisen rakenteen, jonka selvittäminen vielä muutama vuosi sitten olisi kestänyt useita vuosia supertietokoneillakin. Tehtävä onnistui vasta uusimmilla tietokoneilla kuukausia kestäneiden laskutoimitusten ja laboratoriokokeiden jälkeen.

Eräs ratkaiseva yksityiskohta on se, että kollageenimatriisissa on pieniä levymäisiä hydroksiapatiittihiukkasia. Näitä kahta ainetta pitää yhdessä sähköiset voimat, jotka sallivat niiden hiukan liikkuvan toistensa suhteen rikkoutumatta.

"Tällä järjestelyllä näistä kahdesta materiaalista saadaan esiin parhaat ominaisuudet," Buehler sanoo. "Hydroksiapatiitti ottaa vastaan voimat ja kollageeni vastaa venymisestä."

Tutkimustulos voi myös auttaa selvittämään joidenkin luusairauksien syitä (osteoporoosi, hauraat luut).

"Voimme käyttää tätä mallia selvittämään syitä luun haurastumiseen," sanoo tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja tutkijatohtori Arun Nair. Esimerkiksi kollageeni muodostuu tuhansista aminohapoista, "mutta mikäli vain yksi aminohappo muuttuu, niin se muuttaa mineraalien muodostumistapaa luun sisällä."

"Tämän vuoksi malli on erittäin tärkeä," hän lisää. Ilman sitä emme tietäisi miksi sairaus muuttaa luun ominaisuuksia. Nyt me tutkia hyvinkin pienen muutoksen vaikutuksia mineraalien kasvuun tai sitä kuinka voimat ja muodonmuutokset jakautuvat.

Lopulta tämä työ voi auttaa uusien luun kaltaisten materiaalien kehittämisessä, joko korvaamaan luita tai sitten  käytettäväksi uutena rakennemateriaalina. "Toivomme, että voimme toistaa tämän [luun rakenteen] laboratoriossa," Buehler sanoo.

Luun rakenne, jossa kahden hyvin erilaisen materiaalin parhaimmat ominaisuudet on saatu esiin ja jonka selvittämiseen on tarvittu tehokkaimmat supertietokoneemme ja vuosia kestänyt tutkimustyö, on kehitysopin mukaan syntynyt itsestään sattumalta.

On meidän onni, että evoluutio on tähän mennessä edennyt jo niin pitkälle, että luun hienosäädetty rakenne on tullut valmiiksi. Olisi nimittäin perin onnetonta, jos ei voisi olla varma onko lapsella toimivat luut vai ei. Tosin joidenkin ihmisten kohdalla tämä hienosäätö on mutaatioiden (ne muodostavat evoluution perustan) seurauksena siirtynyt pois paikoiltaan ja he kärsivät tästä hienosäädön vinksahtamisesta erilaisina sairauksina.


Lähde:

http://web.mit.edu/newsoffice/2013/decoding-the-structure-of-bone-0416.html



Ei kommentteja:

Lähetä kommentti