Fettmoleküle und Wasser wirken in Kollagenfibrillen überraschend zusammen
Forschungsteam der Fakultät für Naturwissenschaften der TU Chemnitz entdeckt Fettmoleküle in natürlichen Kollagenfibrillen, dem wichtigsten Bestandteil der Bindegewebe, und zeigt, wie Fette die mechanischen Eigenschaften und den Wassergehalt der Kollagenfibrillen beeinflussen
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Rasterkraftmikroskopieaufnahme von Kollagenfibrillen (orange, quergestreift) mit anhaftenden Fettmolekülen (dunkle Bereiche). Grafik: Dr. Martin Dehnert und Prof. Dr. Robert Magerle
Kollagenfibrillen sind ein Grundbaustein von Haut, Sehnen, Bändern und Knochen. Sie halten unseren Körper zusammen. Seit jeher werden Fette und Öle verwendet um Leder, das ebenfalls aus Kollagenmolekülen besteht, geschmeidig zu halten und es vor Wasser zu schützen. Erstaunlicherweise ist jedoch nicht bekannt, ob und wie viele Fettmoleküle in natürlichen Kollagenfibrillen enthalten sind. Die genaue Kenntnis der chemischen Zusammensetzung von Kollagenfibrillen ist jedoch wichtig, um die biochemischen Vorgänge zu verstehen, die im Gewebe beim Wachstum, beim Altern und bei Krankheiten eine Rolle spielen. In der Chemie werden die verschiedenen molekularen Bestandteile üblicherweise voneinander getrennt, um so die Eigenschaften der reinen Substanzen untersuchen zu können. Biologische Systeme enthalten jedoch Tausende verschiedener chemischer Moleküle, die wahrscheinlich alle zusammen von Bedeutung sind.
Ein Forschungsteam aus Physikern und Chemikern der Fakultät für Naturwissenschaften der Technischen Universität Chemnitz hat herausgefunden, dass Triacylglycerole – eine sehr häufige Art natürlicher Fettmoleküle – sich zwischen den Kollagenmolekülen anlagern und somit den Zusammenhalt der deutlich größeren Kollagenfibrillen beeinflussen. Dieses Wissen ist grundlegend für das Verständnis der Biomechanik des Bindegewebes. Damit wird auch deutlich, wie eingebettete Lipide die Bindungskräfte zwischen Proteinen auf molekularer Ebene beeinflussen können.
Die Forscher haben Kollagenfibrillen aus Hühnersehnen untersucht und dabei festgestellt, dass diese eine überraschend große Menge an Triacylglycerolen, auch neutrale Fette genannt, enthalten. Diese Fettmoleküle machen etwa neun Prozent des Volumens der trockenen Kollagenfibrillen aus und sind unregelmäßig in das Kristallgitter der Kollagenmoleküle eingebaut. Sie wirken dabei als Weichmacher und verringern den Wasseranteil der Kollagenfibrillen. Dieses Ergebnis stellt das derzeitige Verständnis der chemischen Zusammensetzung natürlicher Kollagenfibrillen infrage.
Um den Gehalt an Triacylglycerolen zu bestimmen und ihre Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften einzelner Kollagenfibrillen zu untersuchen, haben Dr. Martin Dehnert und Prof. Dr. Robert Magerle von der Professur Chemische Physik der TU Chemnitz ein neues Analyseprotokoll auf Basis der Rasterkraftmikroskopie entwickelt. Sie verwenden eine Waschsequenz bei der zunächst die an den Fibrillen haftenden Fette mit einem unpolaren Lösemittel (Hexan) entfernt werden. Anschließend werden mit einem polaren Lösemittel (einer Mischung aus Dichloromethan und Methanol) die Fettmoleküle aus dem Inneren der Fibrillen herausgelöst. Nach jedem Waschschritt wurden die resultierenden Veränderungen der Kollagenfibrillen mittels Rasterkraftmikroskopie untersucht. So können die Form der etwa 100 Nanometer dicken Kollagenfibrillen und deren mechanische Eigenschaften sehr genau bestimmt werden. Mittels Raman- und NMR-Spektroskopie wurden die in den Kollagenfibrillen enthaltenen Fette schließlich als Triacylglycerole identifiziert.
„Unsere Ergebnisse zeigen, wie Fette und Wasser in natürlichen Kollagenfibrillen zusammenwirken“, erklärt Magerle und fügt hinzu: „Dies lässt vermuten, dass es einen Zusammenhang zwischen den Fetten, die wir mit der Nahrung aufnehmen, und der Biomechanik des Bindegewebes geben könnte. Dies wollen wir in Zukunft genauer untersuchen.“
Originalpublikation: Triacylglycerols affect the water content and cohesive strength of collagen fibrils, M. Dehnert, T. Klose, Y. Pan, D. R. T. Zahn, M. Voigtländer, J. F. Teichert, R. Magerle, Soft Matter (9. September 2025)
DOI: https://doi.org/10.1039/D5SM00696A
Weitere Informationen erteilen Dr. Martin Dehnert, Telefon 0371-531-39916, E-Mail martin.dehnert@physik.tu-chemnitz.de, Prof. Dr. Robert Magerle, Telefon 0371-531-38033, E-Mail robert.magerle@physik.tu-chemnitz.de.
Mario Steinebach
10.09.2025
