Wie Wasser den Aufbau von Kollagen, dem Baustein aller Menschen, steuert

Wasser bestimmt das Leben: Der Mensch besteht zu drei Vierteln aus Wasser. Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der Universität Amsterdam (UvA) hat nun herausgefunden, wie Wasser auch die Struktur des Materials bestimmt, das uns zusammenhält: Kollagen.

In einem Papier veröffentlicht in PNAS, klären die Forscher die Rolle von Wasser bei der molekularen Selbstorganisation von Kollagen auf. Sie zeigen, dass man durch den Ersatz von Wasser durch sein „Zwillingsmolekül“, schweres Wasser (D2O), die Wechselwirkung zwischen Kollagenmolekülen „abstimmen“ und so den Prozess der Kollagenselbstorganisation beeinflussen kann. Die Ergebnisse werden dazu beitragen, die Gewebeversagen besser zu verstehen, die aus vererbbaren kollagenbedingten Erkrankungen wie der Glasknochenkrankheit (Osteogenesis imperfecta) resultieren.

Wie Hauptautorin Dr. Giulia Giubertoni vom Van ‚t Hoff Institute for Molecular Sciences (HIMS) der UvA es ausdrückt: „Bei der Untersuchung dieser und anderer Kollagenkrankheiten haben viele Forscher, darunter auch ich, … immer einen wichtigen Teil davon übersehen.“ Rätsel, und die Möglichkeit, dass Gewebeversagen teilweise auf die Wechselwirkung zwischen Wasser und Kollagen zurückzuführen sein könnte, wurde nicht sehr ernst genommen. Wir zeigen jetzt, dass eine Störung der Wasserschicht um das Protein, selbst wenn sie nur geringfügig ist, dramatische Auswirkungen auf den Kollagenaufbau hat.

Giubertoni möchte Forscher im Bereich der Kollagenkrankheiten darauf aufmerksam machen, dass sehr subtile Veränderungen in der Wasser-Kollagen-Wechselwirkung zu Kollagenkrankheiten beitragen können. Diese Veränderungen können beispielsweise durch Mutationen im Kollagenprotein entstehen, die bei genetisch bedingten Erkrankungen auftreten. Die Forscher vermuten außerdem, dass veränderte Wechselwirkungen zwischen Wasser und Kollagen ein Faktor sind, der zu verschiedenen altersbedingten Erkrankungen mit Gewebedysfunktion beiträgt.

Der Stoff, aus dem wir gemacht sind

Kollagen ist zu einem großen Teil „der Stoff, aus dem wir bestehen“ – etwa ein Drittel aller Proteine ​​in unserem Körper ist Kollagen, das die mechanische Integrität des gesamten menschlichen Bindegewebes gewährleistet.

Beispielsweise dehnen sich unsere Haut und unsere Arterien, ohne zu reißen, und unsere Knochen halten hohen Belastungen stand, ohne zu brechen. Kollagen wird von unseren Zellen als einzelne Proteine ​​produziert, die sich zu größeren Strukturen, sogenannten Fibrillen, zusammenfügen. Diese Fibrillen fügen sich weiter zu Netzwerken zusammen, die die Gerüste für unser Gewebe bilden.

Da Kollagen in der wässrigen Umgebung menschlicher Zellen gebildet wird, spielt Wasser bei seinem Aufbau eine entscheidende Rolle. Durch die Wechselwirkung von Wassermolekülen mit Proteinen entsteht Kollagen, das für seine Funktion am besten geeignet ist. Doch was genau steckt hinter dieser kollagenoptimierenden Rolle des Wassers? Wie macht Wasser das? Und wird das Verständnis dieses Mechanismus Einblicke in Zustände bieten, bei denen etwas mit Kollagen nicht stimmt, wie etwa Osteogenesis imperfecta? Dies waren die zentralen Fragen der in veröffentlichten Forschung PNAS.

Schweres Wasser einführen

Um die Rolle von Wasser bei der Kollagenbildung zu untersuchen, beschloss Giubertoni – zusammen mit ihrem UvA-Kollegen Prof. Sander Woutersen und ihrem Mitarbeiter Prof. Gijsje Koenderink (Technische Universität Delft) –, Wasser durch sein schwereres „Zwillingsmolekül“ D2O zu ersetzen. D2O wurde erstmals 1931 vom Nobelpreisträger Harold Urey entdeckt und ersetzt die Wasserstoffatome (H) des Wassers durch das Isotop Deuterium (D), das über ein zusätzliches Neutron im Kern verfügt. D2O oder „schweres Wasser“ ist somit der „nächste Ersatz“ für gewöhnliches Wasser in der Natur.

Allerdings ist D2O im Zusammenspiel mit Proteinen weniger wirksam als H2O. Dies liegt daran, dass die Bindungen zwischen D2O-Molekülen (sogenannte Wasserstoffbrückenbindungen) stärker sind als die zwischen H2O-Molekülen. Dies beeinflusst die Wechselwirkung mit Proteinen wie Kollagen.

Giubertoni, Woutersen und Koenderink wollten unbedingt untersuchen, welche Auswirkungen dies auf den Kollagenaufbau haben würde. Zusammen mit einem multidisziplinären Verbundforschungsnetzwerk konnten sie feststellen, dass die Verwendung von schwerem Wasser zu einer zehnmal schnelleren Kollagenbildung und letztlich zu einem weniger homogenen, weicheren und weniger stabilen Kollagen-Faser-Netzwerk führt.

Ein sehr effektiver Moderator

Die Erklärung liegt darin, dass die verringerte Wechselwirkung des schweren Wassers mit dem Kollagenprotein es dem Protein erleichtert, die D2O-Moleküle „abzuschütteln“ und sich neu zu organisieren.

Dies beschleunigt die Bildung des Kollagennetzwerks, führt aber auch zu einem schlechteren, weniger optimalen Kollagennetzwerk. Wasser fungiert somit als Vermittler zwischen Kollagenmolekülen und verlangsamt den Zusammenbau, um die funktionellen Eigenschaften lebender Gewebe zu gewährleisten.

Diese Entdeckung bietet neue Perspektiven darauf, wie Wasser die Eigenschaften von Kollagen beeinflusst und eine präzise Anpassung der mechanischen Eigenschaften lebender Gewebe ermöglicht. Es eröffnet auch neue Möglichkeiten für die Herstellung von Materialien auf Kollagenbasis, bei denen makroskopische Eigenschaften durch subtile Variationen in der Zusammensetzung des Lösungsmittels gesteuert und feinabgestimmt werden können, anstatt wesentliche Änderungen an der chemischen Struktur der molekularen Bausteine ​​vorzunehmen.

Ein ähnlicher „Untersuchungsansatz“ könnte in Zukunft auch verwendet werden, um die Rolle von Wasser beim Antreiben und Lenken des Zusammenbaus anderer Proteine, die sich zu größeren Strukturen zusammenfügen können, aufzuklären. Anschließend wird Giubertoni untersuchen, wie sich Kollagendefekte auf dessen Wechselwirkung mit Wasser auswirken und welche Rolle dies beim Gewebeversagen bei Kollagenerkrankungen spielt.