Bot is een van de verrassende 'bouwmaterialen' van de natuur. Pond-voor-pond het is sterker dan staal, stoer en toch veerkrachtig. Wetenschappers van het Ames Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy hebben de samenstelling geïdentificeerd die bot zijn uitstekende eigenschappen geeft en de belangrijke rol die citraat speelt, werk dat de wetenschap kan helpen om botziekten zoals osteoporose beter te begrijpen en te behandelen of te voorkomen.

Met behulp van nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie, Ames Laboratory wetenschapper en Iowa State University chemieprofessor Klaus Schmidt-Rohr en zijn collega's bestudeerden bot, een organisch-anorganisch nanocomposiet waarvan de stijfheid wordt geleverd door dunne nanokristallen van koolzuurhoudend apatiet, een calciumfosfaat, ingebed in een organische matrix van voornamelijk collageen, een vezelig eiwit.

Door de nanostructuur van natuurlijk voorkomende materialen te begrijpen, onderzoekers kunnen mogelijk nieuwe lichtgewicht, materialen met een hoge sterkte die minder energie nodig hebben om te produceren en die de producten waarin ze worden gebruikt, energiezuiniger kunnen maken.

"De biologische, collageenmatrix is ​​wat botten taai maakt, "Schmidt-Rohr zei:"terwijl de anorganische apatiet-nanokristallen voor de stijfheid zorgen. En de kleine dikte - ongeveer 3 nanometer - van deze nanokristallen lijkt gunstige mechanische eigenschappen te bieden, voornamelijk in het voorkomen van scheurvoortplanting."

Hoewel de botstructuur uitgebreid is bestudeerd, hoe deze apatiet-nanokristallen zich vormen en waardoor ze niet dikker worden, was een raadsel. Sommige onderzoeken wezen erop dat er suikers in het spel waren, maar dat kwam niet overeen met de NMR-spectra die Schmidt-Rohr zag.

"We kunnen alle toppen duidelijk zien, " zegt hij over een spectrale grafiek die de punten laat zien waarop specifieke componenten in botmonsters resoneren; deze specifieke handtekeningen zijn de sleutel tot NMR-technologie, "zelfs die aan de organisch-anorganische interface, waar de signaalsterkte van het organische materiaal relatief zwak is."

Na het bestuderen van de botstructuur over een periode van vijf jaar, het was eigenlijk toevallig dat Schmidt-Rohr een handtekening tegenkwam die leek te kloppen met wat hij zag.

"We hadden wat kristallijne collageenmonsters gekregen om te bestuderen, " hij zei, "en het bleek dat de leverancier, Sigma-Aldrich, citraat had gebruikt om het collageen op te lossen. En de citraatsignatuur in de collageenmonsters kwam overeen met de signatuur die we in bot zagen."

Volgens Schmidt-Rohr, de rol van citraat in bot was tot ongeveer 1975 bestudeerd, maar sinds die tijd in geen van de nieuwere literatuur over bot werd melding gemaakt. Dus in wezen, zijn onderzoeksteam moest het herontdekken.

Het argument voor citraat werd het meest overtuigend gemaakt toen afgestudeerde onderzoeksassistent Yanyan Hu in staat was om citraat te extraheren uit koeienbot en dit te vervangen door met koolstof 13 (C13) verrijkt citraat, resulterend in een 30-voudige versterking van de NMR-signalen van het botmonster. De pieken kwamen precies overeen, bevestiging van de aanwezigheid van citraat op het oppervlak waar de apatiet-nanokristallen zich hadden gevormd.

Schmidt-Rohr veronderstelde verder dat, aangezien citraat te groot is om in het apatietkristalrooster te worden opgenomen, het moet worden gebonden aan het oppervlak van de nanokristallen waar het de grootte van de nanokristallen stabiliseert door hun verdere groei te voorkomen. De bevindingen werden gepubliceerd in de 28 december, uitgave 2010 van de Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Gebaseerd op de oude literatuur, we keken naar de citraatniveaus in verschillende soorten botten en ontdekten dat haringrug de hoogste citraatconcentratie had - ongeveer 13 procent van het gewicht, "Zei Schmidt-Rohr. "Dus het zou moeten gelden dat het citraatsignaal voor haringrug drie keer hoger moet zijn dan voor koeienbot, en dat was het inderdaad."

In vervolgonderzoeken de groep ontdekte dat een hogere concentratie citraat, hoe dunner de apatiet nanokristallen in bot. Dit werd verder bevestigd op bot-mimetische nanocomposieten in een samenwerking met Ames Lab faculteitswetenschappers Surya Mallapragada en Muffit Akinc, met behulp van een polymeersjabloon met verschillende concentraties citraat om apatiet-nanokristallen te synthetiseren. Bij hogere concentraties, de gevormde nanokristallen waren dunner en zouden daarom beter bestand moeten zijn tegen scheurgroei. Dit werk is gepubliceerd in het nummer van 12 april van: Chemie van materialen.

"Op dit punt, we denken dat citraat waarschijnlijk ook een rol speelt bij de biomineralisatie van de apatiet, "Zei Schmidt-Rohr. "In de literatuur is ook opgemerkt dat naarmate een organisme ouder wordt, de dikte van nanokristallen neemt toe en de citraatconcentratie daalt, "Schmidt-Rohr zei:"en er is ook ondersteuning van klinische onderzoeken dat citraat goed is voor botten, " eraan toevoegend dat een van de toonaangevende supplementen voor botsterkte calciumcitraat bevat.

"Terwijl calciumverlies een belangrijk symptoom is bij osteoporose, de afname van de citraatconcentratie kan ook bijdragen aan botbrosheid, " hij zei.