Вода определяет жизнь: человек на три четверти состоит из воды. Международная исследовательская группа во главе с Амстердамским университетом (UvA) обнаружила, что вода также определяет структуру материала, который удерживает нас вместе: коллагена.
В статье , опубликованной в PNAS , исследователи объясняют роль воды в молекулярной самосборке коллагена. Они показывают, что, заменяя воду ее «двойной молекулой» тяжелой водой (D 2 O), можно «настраивать» взаимодействие между молекулами коллагена и, таким образом, влиять на процесс самосборки коллагена. Полученные результаты помогут лучше понять тканевые нарушения, возникающие в результате наследственных заболеваний, связанных с коллагеном, таких как болезнь хрупких костей (несовершенный остеогенез).
Как говорит ведущий автор доктор Джулия Джубертони из Института молекулярных наук Ван ‘т Хоффа (HIMS) при Университете Университета Австралии: «Изучая эти и другие коллагеновые заболевания, многие исследователи, включая меня,… всегда упускали важную часть Загадка, и возможность того, что разрушение тканей может быть частично вызвано взаимодействием воды и коллагена, не воспринималась очень серьезно. Теперь мы показываем, что возмущение слоя воды вокруг белка , даже очень незначительное, оказывает драматическое влияние на сборку коллагена».
Джубертони хочет, чтобы исследователи, занимающиеся проблемами коллагена, осознали, что очень тонкие изменения во взаимодействии воды и коллагена могут способствовать развитию коллагеновых заболеваний. Эти изменения потенциально могут возникнуть, например, в результате мутаций белка коллагена, возникающих при генетических заболеваниях. Исследователи также предполагают, что изменение взаимодействия между водой и коллагеном является фактором, способствующим развитию различных возрастных заболеваний, связанных с дисфункцией тканей.
Материал, из которого мы сделаны
Коллаген – это в значительной степени «то, из чего мы состоим»: около трети всего белка в нашем организме составляет коллаген, который обеспечивает механическую целостность всей соединительной ткани человека.
Например, наша кожа и артерии растягиваются, не разрываясь, а наши кости могут противостоять высоким нагрузкам, не ломаясь. Коллаген вырабатывается нашими клетками в виде отдельных белков, которые собираются в более крупные структуры, называемые фибриллами. Эти фибриллы далее собираются в сети, образующие каркасы для наших тканей.
Поскольку коллаген образуется в водной среде клеток человека, решающую роль в его сборке играет вода. В результате взаимодействия молекул воды с белками образуется коллаген, который лучше всего подходит для выполнения своей функции. Но что именно стоит за этой ролью воды в оптимизации выработки коллагена? Как вода это делает? И поможет ли понимание этого механизма понять состояния, когда с коллагеном что-то не так, например, несовершенный остеогенез? Это были центральные вопросы исследования.
Роль воды в образовании коллагена
Чтобы исследовать роль воды в образовании коллагена, Джубертони вместе со своим коллегой из УФА профессором Сандером Воутерсеном и их соавтором профессором Гийсье Кендеринком (Технологический университет Делфта) решили заменить воду ее более тяжелым «молекулой-близнецом» D 2 O. Первоначально открытый лауреатом Нобелевской премии Гарольдом Юри в 1931 году, в D 2 O атомы водорода (H) воды заменены изотопом дейтерия (D), в ядре которого имеется добавленный нейтрон. Таким образом, D 2 O или «тяжелая вода» является «ближайшей заменой» обычной воды в природе.
Однако при взаимодействии с белками D 2 O менее эффективен, чем H 2 O. Это связано с тем, что связи между молекулами D 2 O (так называемые водородные связи) прочнее, чем между молекулами H 2 O. Это влияет на взаимодействие с такими белками, как коллаген.
Джубертони, Воутерсен и Кендеринк стремились изучить влияние, которое это окажет на сборку коллагена. Совместно с междисциплинарной исследовательской сетью они смогли установить, что использование тяжелой воды приводит к десятикратному ускорению образования коллагена и, в конечном итоге, к менее однородной, более мягкой и менее стабильной сети коллагеновых волокон.
Объяснение состоит в том, что уменьшенное взаимодействие тяжелой воды с белком коллагена облегчает белку «стряхивание» молекул D 2 O и реорганизацию.
Это ускоряет формирование коллагеновой сети, но также приводит к более неряшливой и менее оптимальной коллагеновой сети. Таким образом, вода действует как посредник между молекулами коллагена, замедляя сборку и гарантируя функциональные свойства живых тканей.
Это открытие предлагает свежий взгляд на то, как вода влияет на характеристики коллагена, позволяя точно регулировать механические свойства живых тканей. Это также открывает новые возможности для создания материалов на основе коллагена, макроскопические свойства которых можно контролировать и точно настраивать путем тонких изменений в составе растворителя, а не вносить значительные изменения в химическую структуру молекулярных строительных блоков.
Подобный «исследовательский» подход может быть использован в будущем для выяснения роли воды в стимулировании и управлении сборкой других белков, способных собираться в более крупные структуры. Джубертони продолжит изучение того, как дефекты коллагена влияют на его взаимодействие с водой и какую роль это играет в разрушении ткани при заболеваниях коллагена.
