新实验和模拟有助于解释胶原蛋白的力量

时间：2021-06-14 14:52:14 来源：

例证描绘了胶原型原纤维，其三螺旋结构被水分子包围。三螺旋的三个不同链条以不同的颜色描绘。水分子以红色和灰色显示。

麻省理工学院的新研究表明，从肌腱中的胶原蛋白添加或取出少量水可以产生令人惊讶的强力，比肌肉产生的力量强达300倍。

研究结合实验性工作和详细分子模拟已经揭示了水在胶原蛋白的复杂作用 - 一种是肌腱，骨骼，皮肤和身体其他结构组织的组分的蛋白质。

新分析揭示了之前从未观察过的重要机制：在肌腱中添加甚至少量的水，或去除水，胶粘剂中的胶原蛋白可以产生令人惊讶的强力，比肌肉产生的力强达300倍。该调查结果本周报道了由MIT和Max Planck胶体和德国界面的Max Planck Courtituce研究所的自然通信。

“我们并不真正了解水的生理作用”在人体胶原蛋白的组织中，解释了MIT公民和环境工程系的主管和本文共同作者的教授Buehler教授。“在这里，我们表明它可以发展重要的力量，特别是在肌腱中被认为是被动材料。”

前一项研究中的一个挑战一直是天然生物样本都不同，Buehler说 - 所以试图确定可变性的潜在原因是棘手的。在新的工作中，团队能够在各种条件下研究相同的样本，使他们能够探讨变化的原因。

然后，使用原子逐个原子计算机模型分析这些相同的材料，该计算机模型可以模拟到近分子水平的结构，提供了潜在机制的详细视图。由Buehler和Postdoc Shu-Wei Chang的麻省理工学院进行的分子模拟，匹配和补充了德国团队成员观察的实验结果，由Peter Fratzl教授领导。

真实和虚拟

“我们可以在实验和模拟中看出相同的规模，相同的现象，”Buehler说。“我们对结果非常兴奋，”他补充道，因为模拟可以在物理实验中查看“你不能轻易测量”的“机制”。

Chang解释说，仅基于实验数据，对肌腱材料的行为有两种可能的解释 - 但模拟表明这些解释中的一个是不可行的。研究人员表明，在构成肌腱胶原的蛋白质链的复杂结构内，添加水导致分子的一些部分延伸，以及其他部分。

两种机制之间的平衡决定了胶原蛋白分子是否存在整体收缩或延伸，但总体而言，当水从分子结构中除去水时，它会收缩。

强大的力量

该收缩的拉动是令人惊叹的大：干燥过程施加的力量“几乎是肌肉产生的力量的几乎三个数量级，”张说。它仍有待理解，如果有的话，那些力量在正常的生物学功能中发挥作用。

无论这个过程在身体中的功能如何，它可能通过组织工程来利用并用于其他目的，Buehler说：“我们可以用水作为驱动程序，作为控制材料的变量之一。”以前，他补充道，“我们不会担心材料中的水量。”但现在可以设想，例如，“一种自组装系统，水正在调节过程”。

科学家们也可能能够在音乐会中获得不同的生物材料的相反特征。例如，将像蜘蛛丝的材料相结合 - 该材料实际上随着水分的增加而缩小 - 与肌腱胶原相似的材料可以产生，随着湿度变化，Buehler建议，提供了非常稳定的结构。

此外，在该分析中使用的方法，将详细的分子建模与直接实验观察相结合，也可以应用于许多其他生物材料，Chang说。

Sandra Shefelbine是与本研究没有联系的东北大学机械和工业工程副教授的分析“是计算分子模型如何与实验在原子的实验中使用的协调中使用的重要例子等级。”哈佛大学生物工程教授David Mooney补充说，“这是一个非常引人注目的发现，因为它揭示了胶原蛋白的结构和功能的新方面，并且可能导致许多新研究。”

这项工作得到了亚历山大·冯·洪堡基金会，最大普朗克社会，德国研究基金会，美国海军研究办公室，国家卫生研究院。

出版物：Admir Masic，等人，“肌肉压力诱导肌腱胶原胶原的拉伸力，”自然通信6，物品编号：5942; DOI：10.1038 / ncomms6942

图像：由研究人员礼貌

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