2023 Autor: Bailey Leapman | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-05-20 22:44
Inimese punased verelibled on lohuline baleriin, mis lakkamatult keerleb, keerleb, paindub ja surub läbi oma laiusest kitsamate avade, et jaotada eluandvat hapnikku igasse kehanurka. Ajakirja Annals of Biomedical Engineering oktoobrinumbris avaldatud artiklis, mis tehti veebis kättesaadavaks 21. oktoobril, kirjeldab UCSD teadlaste meeskond matemaatilist mudelit, mis selgitab, kuidas võrgutaoline valgu skelett annab tervele inimesele punaseid vereliblesid. selle kummiline võime venida purunemata ja potentsiaalne mehhanism hapniku difusiooni hõlbustamiseks läbi selle membraani.
"Punarakud on üks väheseid rakuliike kehas, millel puudub tuum ja mille membraani all on ainult õhuke valguskeleti kiht: need on elavad hemoglobiinikotid," ütles bioinseneri professor Amy Sung. UCSD Jacobsi tehnikakoolis ja uuringu kaasautor. "Väga vähe on teada, kuidas membraani skeleti elemendid käituvad punaste vereliblede deformeerumisel, ja me olime üllatunud, mida meie simulatsioon näitas." Teadlasi on aastaid seganud inimese punaste vereliblede membraani skelett, umbes 33 000 valgu kuusnurgast koosnev võrk, mis näeb välja nagu mikroskoopiline geodeetiline kuppel. Kahjuks ei ole kupli arhitektuur ega üksikute valkude struktuurid, mis moodustavad kuusnurgad näitavad üksikasju selle kohta, kuidas märkimisväärselt korrapärane organisatsioon tegelikult töötab.
Sung ja tema kaastöötajad Jacobsi insenerikoolis keskendusid sellele, mis nende arvates on iga kuusnurga keskmes asuv võtmekomponent – vardakujuline valgukompleks, mida nimetatakse protofilamendiks. Protofilament on 37 nanomeetri pikkune ja valmistatud valgust, mida nimetatakse aktiiniks. Mujal inimkehas moodustavad aktiini kimbud kontraktiilseid lihaseid ja aktiini maatriksid vastutavad erinevate rakkude tsütoplasma geelilaadsete omaduste eest. Protofilamentides olevad lühendatud aktiinikiud toimivad aga jäikade varrastena, mida hoiavad suspensioonis kuus täpselt paigutatud aktiini siduva valgu spektriinist valmistatud kiudu. Robert Skelton, Jacobsi insenerikooli mehaanika- ja kosmosetehnika professor ja uuringu kaasautor, kasutas ebatavalist lähenemist protokiudude modelleerimiseks nii, nagu oleksid need osa pingestruktuurist. Kunstnikud on varraste ja kaablite pingestruktuuridega rohkem kursis kui teadlased. Kõige kuulsamad pingestruktuurid võivad olla futurist ja geodeetilise kupli leiutaja R. Buckminster Fulleri varrastest skulptuurid. Sung palus Skeltonil teha koostööd oma punaste vereliblede projektiga, sest Skelton ja tema õpilased on olnud teerajajad rangete teaduslike tööriistade väljatöötamisel, et analüüsida jõudude liikumist ja tasakaalu paljudes pingesüsteemides.
„Kuigi tegime mitmeid eeldusi, on meie mudel oluline samm meie eesmärgi suunas mõista rakumembraanide mehaanika molekulaarset alust,” ütles Sung. Sung, Skelton ja doktoriõppe stipendiaadid Carlos Vera ja Frederic Bossens kombineerisid protohõõgniidi matemaatilise modelleerimise pingestruktuurina visualiseerimistehnikaga, mis näitas, kuidas üks protofilament liigub vastusena sellele kinnitatud kuue spektriinikiu tõmbejõule. Nende artikkel ajakirjas Annals of Biomedical Engineering kasutab lennundustermineid, mida tavaliselt kasutatakse lennuki muutuva asukoha kirjeldamiseks, et selgitada, kuidas kuus kinnitatud spektriinikiudu panevad protofilamendi pöörlema ja ümber pöörama.
Teiste teadlaste mikroskoopiauuringud on dokumenteerinud, et protohõõgniidi lengerdus, selle vasak või parem asend, on peaaegu juhuslik, samas kui samm või membraani tasapinnast ülespoole kalle on paralleelsem membraaniga. membraan kui sellega risti. Sungi meeskond oli meeldiv alt üllatunud, et selle mudel tekitas ka punaste vereliblede deformatsiooni ajal protofilamendile peaaegu juhuslikud pöördenurgad ja enamikul juhtudel mitte rohkem kui 18 kraadi kaldenurga suhtes membraani suhtes."Meie mudel on esimene, kes on jõudnud looduses täheldatava 3-D käitumise dubleerimise lähedale," ütles Skelton.
Modelleerimine viitab sellele, et mida rohkem punane verelible on mehaaniliselt deformeerunud, seda tõenäolisem alt pöörlevad selle üksikud protofilamendid vasakule ja paremale nagu pesapallikurikas, mis on löödud üle koduplaadi. "Need edasi-tagasi pühkimisliigutused kiirendaksid hapniku liikumist membraani ühelt küljelt teisele, " ütles Sung. "Me arvame, et see mudel võib selgitada, miks punaste vereliblede deformatsioonid läbi kitsaste kapillaariavade on nii olulised: protofilamentide liikumine võib tõhus alt tõhustada hapniku difusiooni punastest verelibledest sügaval kudedes ja elundites, kus vahetus on kõige suurem. vaja.”
Tiim kavatseb oma analüüsi laiendada, et hõlmata transmembraansete valkude mõju, mis kinnitavad füüsiliselt aluseks oleva valguvõrgu punaste vereliblede membraaniga. Meeskond kavatseb ka suurendada oma simulatsiooni, et visualiseerida korraga rohkem kui ühte protofilamenti ja lõpuks modelleerida kõigi 33 000 protofilamendi samaaegset liikumist rakus.
„Olime üllatunud, et suudame tegelikult ennustada ja simuleerida punaliblede skeleti komponentide käitumist nanoskaalal ning hinnata pingejõude piko-Newtoni tasemel,”ütles Sung. "Võib-olla saame oma lähenemisviisi rakendada ka selleks, et mõista, mis toimub hemolüütilise aneemiaga inimeste rebenemisohtlikes punastes verelibledes."
Carlos Vera, Robert Skelton, Frederic Bossens ja Lanping Amy Sung, "3-D nano-mechanics of an Erythrocyte Junctional Complex in Equibiaxial and Anisotropic Deformations" (2005). Annals of Biomedical Engineering. 33 (10), lk 1387–1404.
