Jak utrzymuje się szkliwo zębów przez całe życie?
Szkliwo zębów jest najtwardszą substancją w ludzkim organizmie, ale do tej pory nikt nie wiedział, jak przetrwało całe życie. Autorzy niedawnych badań doszli do wniosku, że sekret szkliwa tkwi w niedoskonałym wyrównaniu kryształów.
Jeśli przecinamy skórę lub złamiemy kość, tkanki te naprawią się same; nasze ciała doskonale radzą sobie z rekonwalescencją po kontuzji.
Szkliwo zęba nie może się jednak zregenerować, a jama ustna jest środowiskiem nieprzyjaznym.
Podczas każdego posiłku szkliwo jest poddawane niesamowitemu stresowi; wytrzymuje również ekstremalne zmiany zarówno pH, jak i temperatury.
Pomimo tych przeciwności szkliwo zębów, które rozwijamy jako dziecko, pozostaje z nami przez całe nasze dni.
Naukowcy od dawna interesują się tym, jak szkliwo pozostaje funkcjonalne i nienaruszone przez całe życie.
Jak ujął to jeden z autorów najnowszych badań, prof. Pupa Gilbert z University of Wisconsin – Madison: „Jak to zapobiega katastrofalnej awarii?”
Sekrety szkliwa
Z pomocą naukowców z Massachusetts Institute of Technology (MIT) w Cambridge i University of Pittsburgh, PA, prof. Gilbert szczegółowo przyjrzał się strukturze szkliwa.
Zespół naukowców opublikował teraz wyniki swoich badań w czasopiśmie Nature Communications.
Emalia składa się z tak zwanych prętów emalii, które składają się z kryształów hydroksyapatytu. Te długie, cienkie pręciki emaliowane mają około 50 nanometrów szerokości i 10 mikrometrów długości.
Korzystając z najnowocześniejszej technologii obrazowania, naukowcy mogli wyobrazić sobie, jak poszczególne kryształy w szkliwie zębów są wyrównane. Technika, którą zaprojektował prof. Gilbert, nazywa się mapowaniem kontrastu obrazu zależnego od polaryzacji (PIC).
Przed pojawieniem się mapowania PIC niemożliwe było badanie szkliwa z takim poziomem szczegółowości. „Można zmierzyć i zwizualizować w kolorze orientację poszczególnych nanokryształów i zobaczyć wiele milionów ich naraz” - wyjaśnia prof. Gilbert.
„Architektura złożonych biominerałów, takich jak szkliwo, staje się natychmiast widoczna gołym okiem na mapie PIC”.
Kiedy przyjrzeli się strukturze szkliwa, naukowcy odkryli wzory. „Ogólnie rzecz biorąc, zauważyliśmy, że nie ma jednej orientacji w każdym pręcie, ale stopniowa zmiana orientacji kryształów między sąsiednimi nanokryształami” - wyjaśnia Gilbert. „A potem pytanie brzmiało:„ Czy to przydatna obserwacja? ”
Znaczenie orientacji kryształów
Aby sprawdzić, czy zmiana ułożenia kryształów wpływa na sposób, w jaki szkliwo reaguje na stres, zespół zwerbował pomoc prof. Markusa Buehlera z MIT. Korzystając z modelu komputerowego, zasymulowali siły, jakich doświadczają kryształy hydroksyapatytu, gdy osoba przeżuwa.
W modelu umieścili obok siebie dwa bloki kryształów, tak aby bloki stykały się wzdłuż jednej krawędzi. Kryształy w każdym z dwóch bloków były ustawione w jednej linii, ale w przypadku kontaktu z drugim blokiem kryształy spotkały się pod kątem.
W trakcie kilku prób naukowcy zmienili kąt, pod jakim spotykają się dwa bloki kryształów. Gdyby naukowcy idealnie dopasowali dwa bloki na styku, na którym się spotkali, po przyłożeniu nacisku pojawiłaby się szczelina.
Kiedy bloki stykały się pod kątem 45 stopni, to była podobna historia; na interfejsie pojawiło się pęknięcie. Jednak gdy kryształy były tylko nieznacznie przesunięte, interfejs odchylił pęknięcie i uniemożliwił jej rozprzestrzenianie się.
To odkrycie zachęciło do dalszych badań. Następnie prof. Gilbert chciał określić idealny kąt styku, aby uzyskać maksymalną sprężystość. Zespół nie mógł wykorzystać modeli komputerowych do zbadania tej kwestii, więc prof. Gilbert zaufała ewolucji. „Jeśli istnieje idealny kąt dezorientacji, założę się, że to ten w naszych ustach” - zdecydowała.
Aby to zbadać, współautorka Cayla Stifler powróciła do oryginalnych informacji dotyczących mapowania PIC i zmierzyła kąty między sąsiednimi kryształami. Po wygenerowaniu milionów punktów danych, Stifler stwierdził, że 1 stopień był najczęstszym rozmiarem dezorientacji, a maksymalny to 30 stopni.
Ta obserwacja zgadzała się z symulacją - mniejsze kąty wydają się lepiej odginać pęknięcia.
„Teraz wiemy, że pęknięcia są odchylane w nanoskali, a zatem nie mogą się rozprzestrzeniać zbyt daleko. To jest powód, dla którego nasze zęby mogą przetrwać całe życie bez wymiany ”.
Prof. Pupa Gilbert
