Voordat hij zijn hypothese over botvorming naar Nature Communications durfde te sturen, verzamelde Nico Sommerdijk, hoogleraar aan het department of biochemistry van het Radboudumc, tien jaar lang bewijzen en discussieerde hij met vakgenoten. Je maakt jezelf immers niet populair wanneer je een wetenschappelijke consensus onderuithaalt.

Maar nu lijkt er geen speld meer tussen te krijgen: de kristallisatie van calciumfosfaat tot hydroxyapatiet in de poriën van collageen wordt niet gestuurd door de chemie van dat eiwit, maar alleen door het formaat en de richting van de poriën. En dat doet vermoeden dat kunstbot minder lastig is te maken dan lang is gevreesd.

Het misverstand dateert uit 1993, toen de eerste 3D-elektronenmicroscoopopnames van dunne plakjes bot verschenen. Rechthoekige apatietkristallen leken in het collageen te liggen als planken bij de bouwmarkt, zo netjes gestapeld dat de eiwitmoleculen haast wel een actief sturende functie móesten hebben. Sindsdien zochten onderzoekers naar details van hun ‘epitaxiale’ interactie met de groeiende kristallen.

De twijfel, aldus Sommerdijk, kwam toen hij merkte hoe makkelijk hij het kristallisatieproces kon nabootsen in vitro. Het bleek niet eens specifiek voor calciumfosfaat. ‘Calciumcarbonaat en ijzeroxide vormen in collageen dezelfde netjes geordende plaatjes. En anderen bleken te hebben waargenomen dat tussen de kristalletjes en het collageen een ongeordende, amorfe laag zit. Voor mij had die epitaxiale theorie toen afgedaan.’

Naaldjes

De aanwijzingen stapelden zich op. In Sommerdijks modelsystemen belandden kristallen onderling verdraaid in het collageen, al wezen ze wel in dezelfde richting. ‘Collega’s hielden vol dat het in echt bot anders werkte. Maar toen pakten we zelf een stuk bot en daarin bleek het precies zo te gaan.’

De vorm van de poriën kon meer duidelijkheid verschaffen. Sommerdijk: ‘We namen contact op met Joseph Orgel, die in 2006 de 3D-structuur van collageen had ontsluierd. Hij vertelde alleen zeker te zijn van de ruggengraat van de aminozuurketens; de rest was er een beetje bij gemodelleerd. Met de nodige moeite was uit zijn data echter wel degelijk te halen dat collageen 15 à 20 nm lange, cilindervormige kanaaltjes van 2 nm diameter moet bevatten. In zoiets groeit niet zomaar een plaatvormig kristal. Dat rijmde weer mooi met publicaties die suggereerden dat eerst naaldjes ontstaan. Achteraf zagen we op onze eigen kristalletjes soms ook puntjes.’

Zo rijpte een nieuwe theorie. De mineralen kristalliseren vanzelf uit. Ostwald ripening laat per kanaal één kristal over dat toevallig precies in de lengterichting lag en daardoor het hardste groeide. Pas wanneer dit het collageen letterlijk laat uitpuilen, wordt het plaatvormig. ‘Met hulp van Wim Bras en zijn team bij de Dubble-beamline in Grenoble hebben we het zichtbaar kunnen maken’, zegt Sommerdijk.

Dikkere samples

Hoe zit het met de beelden uit 1993? Sommerdijk: ‘Mijn postdoc YiFei Xu heeft daar nog eens goed naar gekeken. Sinds die tijd zijn de detectoren van elektronenmicroscopen enorm verbeterd, maar ook de dikte van de samples was toen groter. Bij tomografie maak je opnames onder verschillende hoeken. Simulaties tonen echter aan dat alleen plaatjes, die toevallig in één bepaalde richting stonden, indertijd voldoende contrast gaven om ze te zien.’

Sommerdijk deed het onderzoek aan de Technische Universiteit Eindhoven. In augustus 2019 is hij overgestapt naar het Radboudumc, waar hij een geavanceerd elektronenmicroscopiecentrum mocht opzetten. ‘In Eindhoven deed ik chemische experimenten om biologische processen uit te leggen. In Nijmegen zit ik naast het ziekenhuis, dat is een veel betere plek om te onderzoeken hoe bot groeit.’