Het botweefsel dat ons lichaam zijn stevigheid geeft, is een materiaal met bijzondere eigenschappen. Bot is grotendeels opgebouwd uit kristallen van calciumfosfaat; hieraan ontleent het zijn hardheid. Maar doordat de kristallen zijn ingebed in een raamwerk van relatief elastische collageenbundels zijn onze botten ook taai en lang niet zo bros als wanneer het uit zuiver calciumfosfaat zou bestaan.

Botgroei is een ingewikkeld proces, waarbij behalve het mineraal calciumfosfaat en de eiwitvezels collageen nog een groot aantal andere eiwitten een rol spelen. Dr. Nico Sommerdijk is gefascineerd door natuurlijke mineralisatieprocessen en vroeg zich af of je ook met minder ingrediënten bot kunt maken. Sommerdijk, zijn postdoc Fabio Nudelman en collega’s van het Laboratorium voor Materialen en Grensvlak Chemie en van BioModeling and BioInformatics, onderzochten met de elektronenmicroscoop cryo Titan onder welke omstandigheden spontaan botvorming plaatsvindt in samples met calciumfosfaat en collageenbundels.

“Men dacht altijd dat al die eiwitten nodig waren om de mineralen tussen de vezels van de collageenbundels te deponeren”, zegt Sommerdijk. “Maar wij zijn er nu achter gekomen dat dit proces eigenlijk geregeld wordt door het collageen zelf. Daar heb je geen toegevoegde eiwitten voor nodig.”

Maar toegevoegde eiwitten zijn wel nodig om de mineralen in vloeibare toestand te houden en ze zo de mogelijkheid te geven om tot in het collageen door te dringen. Twee jaar geleden vond een onderzoekster in Florida dat een kunstmatig polymeer, pAsp, werkt als vervanger van de natuurlijke eiwitten. Doordat het kristallisatie tegengaat, is pAsp in staat om calciumfosfaat vloeibaar te houden. Onder invloed van dit negatief geladen polymeer vormen mineralen een soort druppeltjes.

Dat deze druppeltjes een negatieve elektrische lading hebben, blijkt cruciaal voor het botvormingsproces, legt Sommerdijk uit: “Met de elektronenmicroscoop zie je dat er ruimte is tussen de kop-aan-staart liggende collageenvezels waaruit de bundels zijn opgebouwd. Je zou verwachten dat de mineralen daar de bundels binnen sijpelen, maar dat is te naïef gedacht. Als je het collageen kleurt met een zwaar metaal, dan zie je donkere dwarsstrepen over de bundels. Enkele van die strepen komen overeen met positief geladen gebieden. En precies daar worden de negatief geladen druppels met calciumfosfaat naartoe getrokken.” Zijn de mineralen eenmaal door de buitenste laag collageen heengedrongen, dan verspreiden ze zich automatisch over de lengterichting van de collageenbundels (zie afbeelding).

Maar daarmee hebben we nog geen bot. Om de karakteristieke hardheid van bot te verkrijgen, moet het amorfe (ongeordende) calciumfosfaat nog netjes uitkristalliseren. Spelen daar dan misschien wel specifieke eiwitten een rol bij? Ook niet, zo bleek. “Een collega van de universiteit van Illinois in Chicago heeft ons eiwitten opgestuurd waarvan men dacht dat ze nodig waren om de kristallisatie in gang te zetten. Maar het blijkt dat zonder dat eiwit de kristallisatie spontaan begint ter hoogte van de geladen gebieden in het collageen. Als we het eiwit toevoegden, ging het alleen wat sneller.”

Om er zeker van te zijn dat in het collageen niet stiekem toch botvormende eiwitten aanwezig waren, gebruikten de onderzoekers collageen uit een paardenpees. “Pezen bevatten die eiwitten niet omdat daar geen bot wordt gevormd. De paardenpees konden we toevallig krijgen van een Italiaanse collega. We hadden het eerder al met collageen uit rattenstaarten geprobeerd, maar het bleek moeilijk om daar goede monsters van te maken. Wat overigens niet wil zeggen dat het niet had kunnen werken.”

Bot uit het lab lijkt dus een stuk dichterbij door de Eindhovense ontdekkingen. Maar Sommerdijk laat de verdere uitwerking van botvervangende materialen over aan een Italiaans onderzoeksinstituut en richt zichzelf op andere vormen van biomineralisatie. Hij is vooral geïnteresseerd in de algemene mechanismen die ten grondslag liggen aan de mineralisatie van calciumfosfaat, calciumcarbonaat (waaruit schelpen zijn gemaakt) en bijvoorbeeld het magnetische materiaal magnetiet. “Er zijn bacteriën die zelf van het ijzeroxide magnetiet piepkleine kompasnaaldjes maken, die ze gebruiken voor oriëntatie in het aardmagnetisch veld.” Daarvoor moeten de kristallen op de juiste wijze georiënteerd liggen (met alle noordpolen in dezelfde richting). “Die bacteriën maken perfecte magneetjes, terwijl wij daar technisch niet toe in staat zijn. Maar misschien kunnen we zulke magnetische structuren wel produceren op dezelfde manier als we nu bot hebben weten te maken, gewoon in water bij kamertemperatuur, en met organische moleculen. Dat zou echt geweldig zijn.” (TJ)