Raumenų mimika | gamta

Raumenų mimika | gamta

Anonim

Dalykai

  • Biomedžiagos - baltymai
  • Biomedicininės inžinerijos
  • Raumenys

Pagamintas elastingas polimeras, kurio molekulinė struktūra imituoja titino, raumenyje esančio baltymo, struktūrą. Gauta medžiaga yra kieta, elastinga ir išsklaido energiją - kaip ir patys raumenys.

1920-aisiais Nobelio premijos laureatas chemikas Hermannas Staudingeris pasiūlė, kad gyvybė atsiranda, kai surenkamos pakankamai didelės molekulės. Vėlesni eksperimentiniai tyrimai patvirtino milžiniškų Staudingerio biomolekulių egzistavimą ir parodė, kad šių molekulių dydis ir struktūra lemia jų funkcijas tiek nano-, tiek makroskopinėse skalėse. Šiame numeryje (69 psl.) Lv ir kt . 1 eik dar toliau. Jie padarė medžiagas, kurių pagrindą sudaro baltymai, kurių molekulės priima panašias raumenų biomolekulių trimates formas, ir praneša, kad jų medžiagos makroskopiniu mastu taip pat imituoja pasyvias mechanines raumenų savybes. Jų darbas rodo, kad sintetiniai biopolimerai gali būti sukurti taip, kad imituotų ir išplėstų jų natūralių analogų technologiškai naudingas savybes.

Daugelis struktūrinių baltymų yra elastingi - tai yra, jie gali būti deformuojami. Bet šie baltymai skiriasi tuo, kaip jie kaupia ar išsklaido energiją, susijusią su deformacijomis. Labai atsparūs baltymai, atsparūs struktūriniam nuovargiui ir gedimui, veikiant pasikartojančioms apkrovos jėgoms, sumažina energijos nuostolius; kolagenas, elastinas ir resilinas patenka į šią kategoriją. Kiti, pavyzdžiui, voratinklinio šilko ir midijų bysus pluošto baltymai, yra mažiau atsparūs. Ši savybė leidžia išsklaidyti pluošto deformacijos energiją, taip slopindama bet kokią vibraciją, kurią sukelia apkrovos jėgos, kurios gali sukelti struktūrų, turinčių pluoštus, sistemas. Todėl tokių struktūrinių baltymų elastingumas ir energijos atstatymo savybės yra suderintos su jų biologiniu vaidmeniu ir yra lemiamos daugelio audinių, įskaitant tuos, kurie apima širdies ir kraujagyslių bei raumenų ir kaulų sistemas, normalų fiziologinį atsaką.

Daugelio mokslinių tyrimų pastangomis buvo siekiama surasti medžiagų, kurios galėtų veikti kaip dirbtiniai raumenys - energiją paversdamos judesiu - biomedicinos reikmėms arba naudoti kaip mikrovožtuvus ar mikroelementus nemedicininiuose prietaisuose. Sintetiniai (nebaltyminiai) elastomerai šiuo atžvilgiu yra nepaprastai svarbūs, tačiau jie kaip implantuojamos medžiagos turi didelių apribojimų. Pavyzdžiui, jie negali palengvinti audinių atstatymo, perdarinėjimo ar regeneravimo ir dažnai sukelia audinių ir medžiagų sąsajose netinkamą šeimininko reakciją.

Todėl kaip sintetinių elastomerų alternatyva buvo pagamintos baltymų turinčios medžiagos, imituojančios natūraliai susidarančių elastomerinių baltymų savybes. Urry ir jo kolegos 2, 3, suprojektavę ir paruošę platų elastiną imituojančių baltymų polimerų spektrą, iš pradžių naudojo sintetinės chemijos metodus, o vėliau baltymus ekspresuodami genetiškai modifikuotuose organizmuose. Kiti tyrėjai padarė medžiagą, imituojančią vorinių šilko 4, 5 ir resilino 6 savybes. Šie natūraliai esantys baltymai turi pasikartojančius oligopeptido domenus, kuriuose yra prolino – glicino motyvas - aminorūgščių pora, kuri prisideda prie lanksčių posūkių ir (arba) išplėstų atsitiktinių ritinių baltymų konformacijų. Manoma, kad šios deformacijos lemia natūralių medžiagų elastingumą 7 .

Lv ir kt . 1 norėjau pagaminti medžiagą iš baltymų, imituojančią kito elastomerinio baltymo titino savybes. Šis baltymas suteikia elastingą miozino ir aktino gijų, sudarančių raumenų ląstelių susitraukimo sistemą, santykinę padėtį. Titino dalis, atsakinga už šį elgesį, yra žinoma kaip I juosta. I juosta yra sudėtinga molekulinė spyruoklė, turinti struktūrinius elementus, pasižyminčius skirtingais mechaniniais atsakais. Jį sudaro sulankstytų domenų, būdingų baltymų imunoglobulino (Ig) super šeimai, serija, taip pat dvi nestruktūruotos sritys (PEVK ir N2B sritys). Kai raumuo išsiplečia, sukeltas stresas pirmiausia ištiesina I juostą nuo pradinės susuktos raumens formos, o tada išardo PEVK ir N2B sritis (1 pav.). Kai visi nestruktūruoti regionai išsiplės, gali atsiskleisti keli Ig domenai - tai poveikis, kuris išsklaido energiją ir tokiu būdu sumažina bet kokį baltymo pažeidimą, kurį sukelia per didelis tempimas. Raumeniui susitraukus, titinas grįžta prie susivėlusios raumenų struktūros.

Image

a ) Titino baltymai yra raumenų ląstelių susitraukiančios sistemos dalis ir susideda iš sulenktų sričių (mėlynos spalvos), susikertančių su nestruktūrizuotomis sritimis (raudonos). b) tempiant pirmiausia išsiplečia nestruktūruoti regionai. c. Didesnio tempimo metu kai kurie sulankstyti domenai taip pat gali atsiskleisti. Lv ir kt . 1 paruošė dirbtinį baltymą, kuriame yra sulankstyti ir nestruktūruoti domenai, ir nustatė, kad gauta medžiaga imituoja pasyvias raumenų raumenų elastines savybes.

Visas dydis

Titino grįžtamosios deformacijos gebėjimas yra atsakingas už raumenų ląstelių susitraukiančios sistemos pasyvias elastines savybes ir už grįžtamąjį šių ląstelių pertvarkymą susitraukimo ir pratęsimo metu. Esant mažam pailgėjimui, didelis titino atsparumas atspindi PEVK ir N2B sričių mechaninius atsakus, tačiau esant dideliam pailginimui titinas yra kietas ir slopina jėgas. Gebėjimas greitai pereiti tarp atsparių ir jėgas slopinančių būsenų yra tai, dėl ko titinas yra tokia svarbi širdies ir griaučių raumenų sudedamoji dalis.

Lv ir kt . 1 naudojo kūrybingą požiūrį į dirbtinius elastomerinius baltymus, imituojančius titiną. Jų baltymus sudarė rutuliniai baltymų domenai (GB1 baltymai), kurie imituoja titino Ig regionus, ir pasikartojančios aminorūgščių sekos, gautos iš resilino, imituojančios nestruktūruotas N2B sritis. Mažas GB1 baltymas, gaunamas iš Streptococcus bakterijų, yra labai efektyvi molekulinė spyruoklė, galinti grįžtamąjį, greitą, didelio tikslumo perpakavimą ir mažą mechaninį nuovargį per daugelį tempimo-relaksacijos ciklų 8 . Autoriai konstravo genetiškai modifikuotas Escherichia coli bakterijas, kad galėtų ekspresuoti GB1 resilino baltymus, o po to fotochemiškai susiejo molekules, kad gautų į gelio pavidalą panašią medžiagą. Gauti GB1 – resilino poliproteinai yra pirmosios medžiagos, į kurias įeina sulankstyti, mechaniškai atsparūs kamuoliniai domenai kaip nuosekliosios molekulinės spyruoklės.

Autoriai pastebėjo, kad, kaip ir titinas, jų polimerai buvo labai atsparūs esant mažam priauginimui dėl resilino sekų buvimo, tačiau kad atsparumas sumažėjo didėjant prailginimui, kad būtų gauta jėgos slopinimo reakcija. Svarbu tai, kad medžiagos greitai atstatė atsparumą, kai buvo pašalintos deformuojančios jėgos, atspindinčios greitį, kuriuo nekovalentiniai ryšiai, atsakingi už GB1 domenų lankstymą, vėl susiformuoja, kai išplėsti domenai grįžta į savo sulankstytą struktūrą. Nors dedamos pastangos imituoti sudėtingą trimatę baltymų struktūrą, naudojant nebiologinius polimerus, sintetiniai elastomerai, gauti iš ne baltymų pagrindu sudarytų molekulinių spyruoklių, vis tiek turi būti gaminami atsparumu, kuris skiriasi priklausomai nuo to, kiek medžiaga ištempta.

Lv ir kolegų 1 medžiaga tikrai įspūdinga, tačiau ar tai tikra raumenų mimika? Raumenys yra sudėtingos molekulinės mašinos, kuriose keli komponentai yra sudedami į tinkamai išdėstytas struktūras, galinčias paversti stimulą judesiu. Titinas yra pagrindinė raumenų sudedamoji dalis, tačiau vien titino mimika neatkuria visų raumenų savybių - tokių kaip jo tempimo jėga, jėgas sukuriančios ir jėgą jautiančios galimybės. Nesant savaiminio atstatymo mechanizmo, baltymų pagrindu pagamintos medžiagos taip pat iš prigimties yra jautrios biologiniams skilimo procesams po implantacijos, kurios gali išskirti „pašalinius“ baltymų fragmentus į šeimininką. Todėl, norint naudoti biomedicinos priemones, tokios medžiagos turi būti kruopščiai įvertintos, siekiant užtikrinti, kad jokie fragmentai nesukeltų neigiamos imuninės reakcijos. Būsimas darbas neabejotinai padės išspręsti šias problemas ir paskatins kurti kūrybinius dirbtinių raumenų elementų, kurie atkuriamai ir pakartotinai reaguoja į komandą, atlieka darbą ir gerai funkcionuoja po chirurginio implantavimo, kūrimo ir gamybos metodus.

Kaip pirmą kartą įsitikinęs Staudingeris, gyvenimas gali būti mirtingoji ritė, sudaryta iš įvairaus biopolimerų rinkinio. Parodydami naujus būdus, kaip suvynioti baltymų gijas į unikalias savybes, Lv et al . ir kiti tyrėjai kerta mokslo ribas į neatrastą molekulinių mašinų, nanometrų dydžio prietaisų ir molekuliniu būdu pagamintų audinių, turinčių pritaikytų makroskopinių savybių, šalį.

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.