Изучен пошаговый механизм формирования зубной эмали

Автор: по материалам Газета.ru наука, текст Ася Парфёнова;
PNAS | August 8, 2011
Фото: pnas.org и fotobank.ru

Ведущую роль в «производстве» эмали играет белок амелогенин – своеобразная кристаллизационная машина, которая не только создаёт условия для кристаллизации солей кальция, образующих эмаль, но и задаёт форму получающихся кристаллов и направление их роста.

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, «Hierarchical self-assembly of amelogenin and the regulation of biomineralization at the nanoscale».

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.

Зубная эмаль обладает сложным трёхмерным строением, главным элементом которого являются протяжённые микроструктуры из апатита, уложенные параллельными рядами. Из органических соединений большую роль в составе эмали играет внеклеточный белок амелогенин. Принято считать, что амелогенин как раз организует молекулярные события, которые приводят к затвердеванию изначально гелеобразной эмали в крепчайший минерально-органический материал. Но что именно происходит при её формировании, до сих пор не вполне понятно. Исследователи из Питсбургского университета (США) предприняли попытку смоделировать самые первые этапы образования эмали.

Трехмерная структура зубной эмали с кристаллическими тяжами (R) гидроксиапатита
кальция; RT – поперечный срез тяжа; RL – продольный срез

«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 белка амелогенина в этом процессе».

Сама постановка исследовательской задачи может показаться надуманной, однако есть причины, которые заставляют ученых 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 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, неспособных производить полноценный амелогенин, наблюдалось нарушение структуры зубной эмали.

В ходе эксперимента реакционные растворы, содержащие амелогенин, фосфат-анионы и катионы кальция, подвергали мгновенной заморозке на разных стадиях реакции и исследовали с помощью электронной микроскопии. Таким образом исследователям удалось шаг за шагом проследить за течением процесса.

А. Олигомеризация амелогенина (1 мин. реакции). В. Сравнение проекций
олигомеров с компьютерными моделями. С. Поперечные срезы додекамеров
от верхушек до середины комплексов с шагом в 10.7 Å.

Как пишут учёные в журнале PNAS, всё начинается с олигомеризации амелогенина – объединения нескольких молекул белка в крупный надмолекулярный комплекс. Такие белковые комплексы стабилизируют центры кристаллизации солей кальция, которые составляют основную массу
неорганического материала зубной эмали. 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 – те самые протяжённые параллельные тяжи кристаллов. Именно из таких слоев затем формируется высокоминерализованная структура зубной эмали.

Реконструкция модели частицы rM179 додекамера амелогенина.
Кластер фосфата кальция, стабилизированный амелогенином в процессе формирования зубной эмали

Детали взаимодействия амелогенина с выращиваемыми этим белком кристаллами пока что неясны, но результаты экспериментов, вне всякого сомнения, необычайно важны как в фундаментальном, так и в практическом смысле. С одной стороны, это примечательный случай функционирования белкового комплекса как кристаллизационной машины, которая не только стимулирует рост кристалла, но и определяет его форму и направление роста. С другой – полученные данные в перспективе могут пригодиться для создания искусственных материалов в области имплантологии. 

«Взаимоотношения амелогенина и гидроксиапатита еще не до конца понятны нам. Но, кажется, способность амелогенина к самоорганизации критична для его способности направлять рост частиц в этой комплексной 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».

 

©По материалам: www.pnas.org/content/early/2011/08/03/1106228108;
www.gazeta.ru/science/2011/08/09_a_3728049.shtml