Uutiset

Lumihiutaleiden syntymekanismi auttaa tutkijoita selvittämään hampaan kiilteen muodostumista

Uusi tutkimus voi auttaa ymmärtämään eri lajien evolutiivisia prosesseja ja kiilteen kehityksessä tapahtuvia häiriöitä.
Lähiotos orangin poskihampaasta. Kuva: EVO-DEVO -tutkimusryhmä.
Lähiotos orangin poskihampaasta. Kuva: EVO-DEVO -tutkimusryhmä.

Fyysikot ja matemaatikot ovat käyttäneet klassista Stefanin yhtälöä tutkiessaan muun muassa lumihiutaleiden muodostumista. Nyt poikkitieteellinen tutkimusryhmä Helsingin yliopistossa ja Aalto-yliopistossa sovelsi samoja yhtälöitä hampaan kiilteen eritykseen. Juuri julkaistu tutkimus esittää laskennallisen mallin hampaan kiilteen eritystä sääteleville prosesseille. Tutkimus auttaa ymmärtämään miten eri lajeilla, kuten orangilla ja ihmisellä, on varsin erilaiset hampaat.

Hammaskiille muodostuu pehmeänä, mutta valmiina se on kehon mineralisoitunein ja kovin osa. Kiilteen kovuus mahdollistaa hampaiden kestämisen koko yksilön elämän ajan ja sen yli, koska hammasfossiilit ovat yleisimpiä löytöjä sukupuuttoon kuolleista lajeista. Toisin kuin muu luusto, valmis kiille ei uudistu. Kiilteen erittyminen on kriittinen askel hampaan muodon viimeistelyssä.

Tutkijat Aalto-yliopistosta ja Helsingin yliopistosta ehdottavat, että kiillettä erittävien solujen ravinnesaatavuuden vaihtelevuus hampaan eri osissa säätelee kiilteen muodostumista. Vaikka kiille on kolmiulotteinen rakenne, tutkijat havaitsivat, että useissa tilanteissa matriksin eli kiillemateriaalin eritystä pystytään luotettavasti mallintamaan kahdessa ulottuvuudessa, mikä tekee ongelman ratkaisemisesta laskennallisesti huomattavasti helpompaa.

Tutkijat toteuttivat mallintamisen ottamalla poikkileikkauksia hampaasta. Mallin matemaattisten yhtälöiden ratkaisemiseen sovellettiin yleisesti käytettyjä laskennallisia menetelmiä. Tutkijoiden kehittämä tietokonemalli pohjautuu samaan teoriaan kuin muun muassa lumihiutaleiden kasvua simuloiva malli.

"Kiilteestä ei ehkä ensimmäisenä tulisi mieleen lumihiutaleet, mutta on mielenkiintoista, miten samat fysiikan lait pätevät ja pystyvät kuvaamaan monimutkaisuuden lisääntymistä molemmissa systeemeissä", sanoo Teemu Häkkinen Aalto-yliopistosta.

Tietokonemallinnukset käyttivät hampaiden kolmiulotteisia röntgenkuvia, joista kiille oli ensin digitaalisesti poistettu ja sitten kasvatettu uudelleen tietokonesimulaation avulla. Vertaillessa geometristä kiilteen kasvua ravinne-diffuusiorajoitteiseen kasvuun, tutkijat huomasivat jälkimmäisen ennustavan oikean kiilteen muodon.

Säätelemällä parametreja tutkijat onnistuivat mallintamaan muun muassa ihmisen, orangin ja sian kiilteen muodot, vaikka nämä poikkeavat selkeästi toisistaan. Vertaillessaan simulaation tuloksia aidon hampaan kasvulinjoihin jotka näkyvät hiukkaskiihdyttimellä kuvatuissa hammaskuvissa, tutkijat totesivat simulaation toistavan koko prosessin, eikä ainoastaan lopullista pintamuotoa.

Orangin poskihampaissa on erityisen monimutkainen kiillepinta, ja tämäkin pinta pystytään ennustamaan lisäämällä ravinne-diffuusiorajoitetta ihmisen hampaaseen verrattuna. Orankien ravintoon kuuluu myös kovia hedelmiä ja puun kuorta, ja näiden pureskeluun soveltuvien kurttupintaisten poskihampaiden evoluutio on voinut vaatia varsin pienen muutoksen kiilteen eritykseen.

"Kiilteen tutkimuksella on yli 100-vuotiset perinteet sekä paleontologiassa että lääketieteessä, ja tämä uusi tutkimus tuo aivan uuden näkökulman alalle, ja voi auttaa ymmärtämään evolutiivisia prosesseja, mutta myös kiilteen kehityksessä tapahtuvia häiriöitä", kertoo Akatemiaprofessori Jukka Jernvall Helsingin yliopiston Biotekniikan instituutista.

Alkuperäinen artikkeli:

Häkkinen TJ, Sova SS, Corfe IJ, Tjäderhane L, Hannukainen A, Jernvall J (2019) Modeling enamel matrix secretion in mammalian teeth. PLoS Comput Biol 15(5): e1007058. doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007058

Lisätietoja:

Teemu Häkkinen
Tohtoriopiskelija
Aalto-yliopisto
[email protected]

Jukka Jernvall
[email protected]
puh. 040 740 3478

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lisää tästä aiheesta

Luonnoskuva valokuiduista. Kuva: Ville Hynninen and Nonappa.
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Tutkijat kehittivät metyyliselluloosasta ympäristöystävällisen valokuidun

Tampereen yliopiston ja Aalto-yliopiston tutkijat ovat kehittäneet optisia kuituja metyyliselluloosasta, joka on yleisesti käytetty selluloosan johdannainen. Tutkimustulokset avaavat uusia mahdollisuuksia valokuitujen ympäristöystävälliseen valmistamiseen. Tulokset julkaistiin Small-tiedelehdessä.
Installation Talks, Matti Kummu
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Professori Matti Kummu: Miten tuottaa riittävästi ruokaa kaikille ylittämättä maapallon kestokykyä?

'Eri puolilla maailmaa kestävä ruoantuotanto onnistuu erilaisin keinoin, mutta tarvitaan myös globaali U-käännös", hän muistuttaa.
Aalto University
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Insinööritieteiden korkeakoulun uudet vakinaistetut professorit esittäytyvät

Seitsemän professoria esittelee videolla omaa alaansa ja tutkimustaan.
Professor Sand on the left, with one her simulations on the right
Nimitykset, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Andrea Sand tutkii säteilyä ydinreaktoreissa ja ulkoavaruudessa

Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen professori Andrea Sand mallintaa säteilyn vaikutusta materiaaleihin ja kehittää uusia energialähteitä tulevaisuutta varten.