Кость - это природный композит, состоящий из органической и неорганической составляющей. Важнейшими органическими составляющими костной ткани являются коллаген и протеогликаны. Эти белки образуют межклеточный матрикс, в котором выстраиваются апатитовые структуры. Однако процесс образования костной ткани, в котором принимают участие ряд белков, еще не до конца исследован. В частности, до сих пор не ясно, какое влияние оказывает коллаген на процесс биоминерализации. К настоящему времени исследователи сходятся во мнении, что на процесс биоминерализации в основном влияют неколлагеновые белки, а коллаген выполняет главным образом роль каркаса.
Чтобы подтвердить или опровергнуть выдвинутое предположение, международный коллектив ученых предложил исследовать процесс минерализации коллагена in vitro, заменив неколлагеновые белки на полиаспаргиновую кислоту (pAsp), известную как ингибитор кристаллизации гидроксиаппатита (ГАП). Для этого авторы статьи использовали фибриллярный коллаген I типа, выделенный из сухожилия лошади, который был помещен в минеральный раствор CaCl2, K2HPO4 и pAsp. Спустя 72 часа методом криогенной электронной томографии были обнаружены тарельчатые кристаллы внутри фибриллы коллагена, подобно тем, которые образуются в фибриллах коллагена в костных тканях живых существ.
Чтобы проанализировать механизм образования кристаллов ГАП внутри фибрилл коллагена исследователи проанализировали фибриллы после 24, 48 и 72 часов, применяя контрастирование уранилацетатом, который присоединяется как к положительно, так и к отрицательно заряженным аминокислотам коллагена, что приводит к локальному увеличению массовой плотности. Спустя 24 часа после помещения фибрилл в минеральный раствор, частицы ГАП были обнаружены снаружи фибриллы и входящие в нее (рис.1). Стоит отметить, что точки входа кристаллов в фибриллу далеко не произвольны, а продиктованы электростатическим взаимодействием отрицательно заряженного комплекса, состоящего из аморфного фосфата кальция (АФК) и pAsp, и положительно заряженных участков фибриллы, соответствующих участку "разрыва" (рис.2).
Для нахождения центров образования кристаллитов ГАП внутри фибриллы pAsp не подходит, поскольку комплекс, состоящий из АФК и pAsp, может проникать внутрь фибриллы, и тогда нельзя однозначно ответить на вопрос, что именно является центром образования кристаллитов - заряженные аминокислоты коллагена или упомянутый выше комплекс. Поэтому авторы статьи использовали фетуин - еще один ингибитор кристаллизации ГАП, который из-за своего большого размера не может проникнуть внутрь фибриллы и, следовательно, образуемый им комплекс с АФК не может выступать в качестве центра образования ГАП. В присутствии этого белка в минеральном растворе внутри фибрилл также наблюдается рост кристаллов ГАП, чья морфология и ориентация схожа с той, которая была обнаружена при применении pAsp. Таким образом авторы статьи доказали, что коллаген не только выполняет роль каркаса при образовании костной ткани, но и "управляет" этим процессом.
