事物延長自身壽命的一個更不尋常的方法是犧牲自身的一部分： 這包括為誤導盜墓者而設計的誘餌墓室、為保護其他電器而在電路中故意熔化的保險絲，或者為方便逃跑而脫落的蜥蜴尾巴。在人體中含量最高的蛋白質–膠原蛋白中，也可以看到這種犧牲元素的概念。

海德堡理論研究所（HITS）的研究人員揭示了膠原蛋白組織中薄弱犧牲鍵的斷裂是如何幫助定位過度外力造成的損傷、最大限度地減少對更廣泛組織的負面影響並促進恢復的。

該研究成果發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上，揭示了膠原蛋白的斷裂機制，這對於了解組織降解、材料老化以及潛在的組織工程技術進步至關重要。

研究人員發現，膠原蛋白含有在壓力下斷裂的弱鍵，可以保護組織的其他部分。這一發現有助於深入了解組織的老化，並有助於組織工程技術的發展。上圖為膠原蛋白三螺旋。圖片來源：Riedmiller / HITS

“膠原蛋白非凡的交聯化學性質似乎完全適合處理機械應力，”HITS 的研究負責人Frauke Gräter 說。”通過使用互補的計算和實驗技術來研究大鼠組織中的膠原蛋白，我們的研究結果表明，膠原蛋白交聯中的弱鍵具有先於其他鍵（如膠原蛋白骨架中的鍵）斷裂的強烈傾向。這可以作為一種保護機制，將斷裂造成的自由基的有害化學和物理效應定位，並可能支持分子恢復過程”。

膠原蛋白約佔人體所有蛋白質的30%。它為骨骼提供強度，為皮膚提供彈性，為器官提供保護，為肌腱提供柔韌性，幫助血液凝固，並支持新細胞的生長。從結構上看，膠原蛋白類似於三重編織的螺旋線：三條氨基酸鏈交織在一起，形成了堅固的骨架。

每根膠原蛋白纖維都包含數千個獨立分子，這些分子交錯排列，並通過交聯相互結合，從而增強了膠原蛋白的機械穩定性。人們認為膠原交聯容易發生斷裂，但對交聯斷裂的具體部位或斷裂發生的原因卻知之甚少。

HITS 分子生物力學小組的科學家們利用計算機模擬膠原蛋白在多種生物尺度和不同機械力作用下的變化，旨在揭開這些謎團。他們通過在大鼠尾巴、屈肌和跟腱上進行凝膠電泳和質譜分析實驗，驗證了他們的發現。通過對膠原蛋白進行嚴格測試，研究小組能夠確定特定的斷裂點。他們觀察了力量如何通過組織的複雜層次結構消散，以及組織的化學鍵如何承受負荷。

膠原蛋白中的成熟交聯由兩條臂組成：其中一條臂比膠原蛋白組織中的其他鍵弱。當受到過大的力時，較弱的交聯臂通常會首先斷裂，從而消散力並產生局部的有害影響。科學家們發現，在膠原組織中存在弱鍵的區域，其他鍵（包括交聯鍵和膠原骨架中的鍵）更有可能保持完整，從而保持膠原組織結構的完整性。

由HITS 科學家領導的前期工作表明，膠原蛋白上的過度機械應力會導致自由基的產生，而自由基又會在體內造成損傷和氧化應激。

“我們的最新研究表明，膠原蛋白中的犧牲鍵在維持材料整體完整性方面發揮著至關重要的作用，可以幫助將這種機械應力的影響局部化，否則會對組織造成災難性後果，”該研究的第一作者本尼迪克特-倫內坎普（Benedikt Rennekamp）解釋說。”由於膠原蛋白是我們體內組織的主要替代物，通過發現和了解這些破裂部位，研究人員可以獲得有關膠原蛋白力學的寶貴見解，並有可能開發出增強膠原蛋白韌性和減輕損傷的策略”。