Цивилизация
Исследователи из Университета Питтсбурга выяснили ключевую роль белка амелогенина в начальных стадиях формирования зубной эмали. О своей работе они рассказали в статье, опубликованной в последнем номере Proceedings of the National Academy of Sciences.
Зубная эмаль – наиболее минерализованная ткань в организме человека, которая демонстрирует выдающиеся механические свойства, сочетая высокую твердость со значительной упругостью. Эти свойства – результат не только ее химического состава, но и уникальной микроструктуры, принципы формирования которой очень интересны ученым-медикам.
«Эмаль начинает свою жизнь как органический гель, в котором распределены крошечные керамические кристаллы,
– рассказал доктор Элия Беньяш, доцент биологии ротовой полости факультета стоматологии Питтсбургского университета и руководитель исследования. – В нашей работе мы воссоздали самые ранние шаги формирования эмали, что позволило нам лучше понять ключевую роль регулирующего протеина, называемого амелогенином, в этом процессе».
Сама постановка исследовательской задачи может показаться надуманной, однако есть причины, которые заставляют ученых пытаться повторять и исследовать природные процессы и реакции. Современные физико-химические аналитические средства превратили исследования любых материалов в стандартную процедуру, но
даже доскональное знание химического состава и микроструктуры биологических материалов не дает гарантии их успешного воспроизводства в лабораторных и тем более в промышленных условиях.
Один из таких «проблемных» материалов – гидроксиапатит кальция, минеральная основа скелета человека и животных. Этот минерал не вызывает токсической реакции, воспалительных явлений в тканях, хорошо срастается с костью и не влияет на процессы минерализации. Однако искусственные керамические материалы на основе гидроксиапатита хрупкие, плохо реагируют на силы натяжения, скручивания или сгибания, что не позволяет использовать их в качестве материала непосредственно для костных и, в частности, зубных имплантатов.
Огромное количество научных групп по всему миру работает над проблемой создания искусственного материала на основе гидроксиапатита, приближенного по механическим свойствам к естественному, но пока не достигли значительных успехов. Подход же «снизу вверх», попытка повторить природный процесс на стадии формирования микроструктуры, имеет шансы на успех.
Тот факт, что амелогенин каким-то образом задействован в формировании зубной эмали, ученым уже был известен; причем это должна быть определенная форма амелогенина — полной длины, содержащая C-концевой телепептид. К примеру, у генномодифицированных мышей, не способных производить полноценный амелогенин, наблюдалось нарушение структуры зубной эмали. Этот белок даже используется как лекарственный препарат для лечения периодонтита, воспаления корневой оболочки зубов.
В ходе эксперимента реакционные растворы, содержащие амелогенин, а также фосфат-ионы и катионы кальция, из которых образуется гидроксиапатит, подвергали мгновенной заморозке на разных стадиях реакции и исследовали с помощью электронной микроскопии. Таким образом исследователям удалось шаг за шагом проследить за течением процесса. Оказалось, что
в присутствии белка нанокластеры – предкристаллиты гидроксиапатитов – формируют не хаотичные скопления, как обычно, а упорядоченные структуры линейной формы.
Причем на верхушке каждого растущего волокна присутствует «узелок» определенной структуры из нескольких молекул амелогенина, который, по предположению ученых, и направляет рост будущего кристалла.
Нанокластеры постепенно «врастают» друг в друга, волокна минерализуются и организуются в параллельные массивы, наподобие нитей в текстиле. Именно из таких слоев затем формируется высокоминерализованная структура зубной эмали.
«Взаимоотношения (амелогенина и гидроксиапатита – «Газета.Ru».) еще не до конца понятны нам. Но, кажется, способность амелогенина к самоорганизации критична для его способности направлять рост частиц... в этой комплексной, высокоорганизованной структуре, – говорит доктор Беньяш. – Это дает нам представление о путях, с помощью которых биологические молекулы могут быть использованы в создании новых материалов из наноразмерных минеральных частиц. Это важно в восстановительной стоматологии и во многих других технологиях».