Hoe water een rol speelt bij de assemblage van collageen, de bouwsteen van iedereen

8 March 2024

Water is bepalend voor het leven - we bestaan voor driekwart uit water. Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van de Universiteit van Amsterdam (UvA) heeft nu ontdekt hoe water de structuur bepaalt van het materiaal dat ons bij elkaar houdt: collageen. In een artikel in het wetenschappelijke tijdschrift PNAS beschrijven de onderzoekers hoe de moleculaire zelfassemblage van collageen verandert als gewoon water wordt vervangen door zijn 'tweelingmolecuul' zwaar water (D2O). De resultaten kunnen voor een beter begrip zorgen van erfelijke ziekten waarbij collageen van belang is, zoals de brozebottenziekte osteogenesis imperfecta.

Impressie van de structuur van collageen. Het bestaat uit losse eiwitten die zich samenvoegen tot fibrillen. Deze bundelen zich tot netwerken die de basis vormen voor onze weefsels. Afbeelding: HIMS / Laura Canil, Giulia Giubertoni.

Eerste auteur van het paper is dr. Giulia Giubertoni van het Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences (HIMS) van de UvA. Ze zegt dat in het onderzoek rond het functioneren van collageen de rol van water eigenlijk steeds over het hoofd is gezien: “De mogelijkheid dat het falen van weefsel deels te wijten zou kunnen zijn aan de interactie tussen water en collageen is nooit erg serieus genomen. We laten nu zien dat het verstoren van de waterlaag rond het eiwit, al is het maar een klein beetje, dramatische effecten heeft op de moleculaire assemblage van collageen.”

Giubertoni wil onderzoekers naar collageenziekten ervan bewust maken dat subtiele veranderingen in de interactie tussen water en collageen van belang zijn. Deze kunnen bijvoorbeeld het gevolg zijn van mutaties in het collageeneiwit bij genetische ziekten. De veranderde interacties tussen water en collageen zou ook een factor kunnen zijn bij verouderingsziekten waarbij sprake is van slecht functionerende weefsels.

Het materiaal waarvan we gemaakt zijn

Collageen is voor een groot deel 'het materiaal waarvan we gemaakt zijn'. Ongeveer een derde van alle eiwitten in ons lichaam is collageen. Het zorgt voor de mechanische integriteit van alle menselijke bindweefsels.

Water fungeert als een soort ‘bemiddelaar’ tussen collageenmoleculen, die de assemblage vertraagt en zo de functionaliteit van levende weefsels garandeert.

Onze huid en slagaders rekken bijvoorbeeld uit zonder te scheuren en onze botten kunnen zwaar belast worden zonder te breken. Collageen wordt geproduceerd in onze cellen als losse eiwitten, die zich samenvoegen tot grotere structuren die fibrillen worden genoemd. Netwerken van deze fibrillen zijn de onderliggende structuur van onze weefsels.

Aangezien collageen wordt gevormd in de waterige omgeving van menselijke cellen, is het eigenlijk logisch dat water een cruciale rol speelt bij de assemblage. De interactie van watermoleculen met eiwitten resulteert in collageen dat het meest geschikt is voor zijn functie. Maar hoe doet water dit? En biedt inzicht in dit mechanisme inzichten in aandoeningen waarbij iets mis is met collageen, zoals osteogenesis imperfecta? Dit waren de centrale vragen van het onderzoek dat nu is gepubliceerd in PNAS.

Zwaar water erbij

Om de rol van water bij collageenvorming te onderzoeken, besloot Giubertoni samen met haar UvA-collega prof. dr. Sander Woutersen en hun onderzoekspartner prof. dr. Gijsje Koenderink (TU Delft) om water te vervangen door het zwaardere 'tweelingmolecuul' D₂O. Het werd in 1931 ontdekt door Nobelprijswinnaar Harold Urey en bevat deuterium (D) op de plaats van de waterstofatomen (H). Het enige verschil is dat deuterium heeft een extra neutron in zijn kern heeft.

D₂O, of 'zwaar water', is zo een hele 'natuurlijke’ vervanger van gewoon water. Maar bij interactie met eiwitten is D₂O minder ‘invloedrijk’ dan H₂O. Dit komt doordat onderlinge bindingen tussen D₂O-moleculen (zogenaamde waterstofbruggen) sterker zijn dan bij H₂O-moleculen. Daardoor verzwakt de interactie met eiwitten zoals collageen.

Deze afbeeldingen, gemaakt met een elektronenmicroscoop, geven inzicht in het verschil tussen netwerken van collageenvezels die in H2O (boven) of D2O (onder) worden gevormd. In H2O ontstaat een steviger netwerk van sterke vezels, in D2O zijn de vezels dunner en het netwerk minder robuust. Afbeelding: HIMS.

Giubertoni, Woutersen en Koenderink wilden graag onderzoeken welk effect dit zou hebben op de aanmaak van collageen. Samen met een multidisciplinair netwerk van onderzoekers konden ze vaststellen dat het gebruik van zwaar water de collageenvorming wel tien keer kan versnellen, wat uiteindelijk tot een minder homogeen, slapper en minder stabiel netwerk van collageenvezels leidt.

Een zeer effectieve bemiddelaar

De verklaring is dat het voor het collageeneiwit bij de verminderde interactie met zwaar water gemakkelijker is om de D₂O-moleculen 'van zich af te schudden' en zichzelf te reorganiseren.

Dit versnelt de vorming van het collageennetwerk, maar resulteert ook in een slordiger, suboptimaal collageennetwerk. Water fungeert dus als een soort ‘bemiddelaar’ tussen collageenmoleculen, die de assemblage vertraagt en zo de functionaliteit van levende weefsels garandeert.

Deze ontdekking biedt nieuwe mogelijkheden voor het maken van nieuwe materialen op basis van collageen. Daarbij zijn de macroscopische eigenschappen wellicht in te stellen via subtiele variaties in de samenstelling van het oplosmiddel, zonder grote veranderingen aan te brengen in de chemische structuur van de moleculaire bouwstenen.

In toekomstig onderzoek zou ook gekeken kunnen worden naar de rol van water bij assemblage van andere eiwitten die zich ook in grotere structuren assembleren. Giubertoni gaat verder bestuderen hoe defecten in collageeneiwitten de interactie met water beïnvloeden, en welke rol dit speelt bij collageenziekten.

Publicatie details

Giulia Giubertonia, Liru Fenga, Kevin Klein, Guido Giannetti, Luco Rutten, Yeji Choi, Anouk van der Net, Gerard Castro-Linares, Federico Caporaletti, Dimitra Micha, Johannes Hunger, Antoine Deblais, Daniel Bonn, Nico Sommerdijk, Andela Šaríc, Ioana M. Ilie, Gijsje H. Koenderink, and Sander Woutersen: Elucidating the role of water in collagen self assembly by isotopically modulating collagen hydration. PNAS, March 7, 2024 DOI: 10.1073/pnas.2313162121

Zie ook

Veni grant for Giulia Giubertoni
Eerdere publicatie: (J. Phys. Chem. B): D₂O as an Imperfect Replacement for H₂O: Problem or Opportunity for Protein Research?