Materiomics: Nano からのマクロへの生物的蛋白質材料の物質科学、

生物学は絶妙に nano スケールで始められて作成しましたりマクロか生理学的な多機能材料で構造サポート、力の生成、触媒作用の特性またはエネルギー変換を提供するために階層構造を表わされます¹ (図 1) を見て下さい。 これは生物系へ主機能を提供することの重要な役割を担う毛、皮、骨、くもの絹またはセルのような生物的材料の広い範囲で例証されます²。

計算の物質科学の利用による生物的材料の変形そして障害のメカニズムの調査の私達の研究の焦点は近づきます。 例外的で物質的な特性が付いている材料の形成を促進する私達の目的は普通劣ったブロックにもかかわらず^1,3性質の設計原理を明瞭にすることです^4,5。

図 1。 階層的な構成を明らかにする 3 つの例生物的蛋白質材料 (A の中間フィラメント、 B の collagenous ティッシュ、 C のアミロイド蛋白質)。 私達の研究はとりわけ変形および障害 (参考 #3) で機械動作にから取られる図焦点を合わせる multiscale の物質的なモデルの開発に、焦点を合わせます。

これらの努力は materiomics と言われる調査のより広いフィールドの部分です。 Materiomics は自然の物質的な特性の調査と定義され、多重のプロセス、構造および特性間の基本的なリンクの検査による合成物質は、 nano からマクロに、組織的実験、理論的なまたは計算方法の使用によって位取りします^6,7。

材料の動作の上昇形記述を、学生提供するためには、大学院生および postdocs の私達のインタディシプリナリ・チームは全面的な構造まで原子論のレベルからの蛋白質の物質科学そしてアーキテクチャの構造プロセス特性の範例を考慮する実験的に認可された原子論の基づいた複数のスケールのシミュレーションのアプローチを適用します。 この小説の視点は生じる機能物質的な特性に化学および遺伝学をリンクし、強力な基礎を生物的材料の動作について基本的な質問をするために私達に与えます。

さらに、複数のスケール、生物的材料の変形そして故障メカニズムを説明する階層モデルの開発は生物的材料がどのようになされる、そしてどのようにに一義的な特性を得るか重大な洞察力を提供します。 この学から障害アプローチは既に設計された材料のために有用であると証明し生物的材料へのアプリケーションは実際のところ展開した主な材料の設計原理の私達の理解を変形させる約束を保持します⁸。

次のセクションで私達は materiomics のアプリケーションを示す 2 つのケーススタディを見直します。

階層構造は単一材料の多重の、全く異種の特性を提供して重大です

私達の作業は生物的材料、とりわけ機能使用できるブロックの品質の厳しい限定にもかかわらず多重機能を提供する、および異なった環境条件に適応する機能の驚くべき特性のいくつかを説明するために貢献しました (検討については、参考 #3) を見て下さい。

例えば、強さ、強さおよび適応性は生物的材料および構造にとっての基本的な重要性の特性、リビング・システムへ機能特性を提供することに重大です。 強さは最大力定義されます (または圧力) と材料が壊れる前に抗できる。 強さは材料の機能と機能性を提供する機能を維持している間構造構成の傷そして欠陥を容認する定義されます。

適応性は環境条件の変更に対処する材料の機能を示します。 これらの特性は生物学の材料のために重大 (皮、骨、くもの絹、またはセルのような) 構造サポートを自身 (骨によって形作られる骨組のような) 提供すれば、で正常な生理学的な条件の下で機械変形に抗する必要があります (セルおよびティッシュのような血の圧力 -- にさらされる) 血管によって関連付けました。

工学では、強さおよび強さは全く異種の特性です (図 2) を見れば、これら二つの機能を結合する材料を作成するために挑戦的に残ります。 ガラスか製陶術は、例えば、普通非常に強い材料です。 ただし、それらは非常に強くないです: ガラスの小さいひび、か試みは破局故障のガラスを変形させるかなり原因となります。

強さ強さの領域の図 2. 設計図、設計された材料および生物的材料を比較します。 正方形は設計されている異なった階層構造を 16,000 以上のアルファ螺旋形蛋白質のフィラメントに基づいて表します。 分析は少数は反対のバナナのカーブ (参考 #3) で、とりわけ設計されていた構造 (1.98%) から取られる図落ちるがほとんどの任意整理 (98.13%) がいわゆるバナナのカーブで落ちることを示します。

それに対して、銅のような金属は非常に強いです; ただし、それらは普通大規模な勢力に抵抗しません。 しかし、これらの材料は大きい変形を可能にし、材料のひびの存在は突然の故障の原因となりません。 しかし、多くの生物的材料は (腱のような細胞蛋白質のフィラメント、血管、 collagenous ティッシュ、くもの絹、骨、腱、皮のような) 特性 - 強さおよび強さを両方、非常に効果的に提供することができ、また環境の変更に適応する機能と結合されます^1,3。

これらの驚くべき特性を理解するキーは nano からのマクロに多重物質的なレベルで少数の個別の要素から (アルファ螺旋形かベータシート蛋白質の領域のような)、これらの要素の構造整理の大きい多様性、成っている生物的材料の特定の構造構成であり^1,3ではない。 実際のところ見つけられるほとんどのファイバー、ティッシュ、器官および有機体は機能がすべてのスケールにある蛋白質分子 (≈50 Å)、蛋白質アセンブリ (≈1 から 10 nm への)、原繊維およびファイバー (≈10 100 µm への)、セル (≈50 µm) まで、そしてティッシュおよび器官 (≈1000s およびより多くの µm) まで及ぶ非常に階層的な、整頓されていた構造を、示します。

最も早く調査は単一のスケールで調査に、か連続媒体として異質構造 (セル動作に対する単独で化学手掛りの物質的な剛さまたは役割の隔離された効果を検査する) 例えばなしで扱われたティッシュまたは細胞小生息区調査焦点を合わせてしまいました。 ただし、原因は - - 生物的物質的な機械工の効果材料のスケールの範囲および階層がどのようにのある特定の生物的機能に貢献し、機能障害が生理学的な、病理学の文脈かに於いての生物学に於いての材料の役割の私達の理解の前進の重大な面として現れたか特定のスケールで単一入力より複雑、こうして、検査であり。 具体的には自然発生する生物的蛋白質材料が強さのような全く異種の機械特性を統一することができるどのようにのか、起源、強さおよび適応性は生物的およびエンジニアリング科学のための重要な興味、重要な関心を引き付けました。

提供する multiscale の計算モデルの開発によって多重物質的な階層の表示は単一モデルで水平になります、私達は multiscale の機械工が障害で材料の最終的な応答の定義で担う、そしてどのように性質の構造設計の主義が生物的材料の階層的な構成を定義する重要な役割明瞭にしました^9,10。 evolutionarily 運転されるこのプロセスは、多分生物的材料が強さ、強さおよび適応性のような全く異種の特性を結合することを可能にし種 (図 2) を渡るいろいろ生物的材料で、観察されるユニバーサル構造機能の存在を説明するかもしれません¹¹。

Osteogenesis Imperfecta の壊れやすい骨の病気

Materiomics はまた病気の条件の下で生物的材料の破局的な故障を調査するために適用することができます。 Osteogenesis の imperfecta は機械的に弱められた腱、壊れやすい骨、骨組み醜状および最悪の場合出生前の死によって特徴付けられるコラーゲンの遺伝病です¹²。 私達の作業は単一の分子からコラーゲンの原繊維に osteogenesis の imperfecta の突然変異が多重スケールでひどく collagenous ティッシュの機械特性を妥協することを、示しました^13,14。

最も強い効果の最も厳しい osteogenesis の imperfecta の表現型の相互的関係の原因となる弱められた分子間の付着の原因となる突然変異はコラーゲンの原繊維の分子間の間隔、減らされた剛さ、また結合組織に強さおよび靭性を提供するコラーゲンの機能を妥協する減らされた障害の強さを高めました。 私達の作業はこれの理由がコラーゲンの原繊維の中の圧力の分布の変更で、コーナーの応力集中が成長する nano ひびの形成が原因であることを示しました (図 3)。

圧力緊張の応答のコラーゲンの原繊維の中の圧力の分布に対する osteogenesis の imperfecta の図 3. 効果 (残っている)、および生じる変更 (右の)14。 原繊維の全面的な強さを適当な応用ロードで分子間のせん断を誘導すると同時に減らす突然変異の位置の nanocracks の形成はローカル応力集中で (赤いカラーとマークされる) 起因します。

私達の調査結果はこの病気の複数のスケールのメカニズムに洞察力を提供し、減らされた機械強さ、より低い架橋結合の密度のような独特の osteogenesis の imperfecta のティッシュ機能の説明の原因となり、方法ミネラル血小板の変更は配られます。 私達の結果ははじめて nanoscale の一点突然変異が大いにより大きい長さスケールで破局的なティッシュの障害のどのように原因となる場合があるか説明します。

物質的な動作のこの劇的な変化を理解するキーは障害が多重スケールのメカニズムの相互作用が最終的で物質的な応答を定義する複数のスケール現象として理解されなければならないことです。 材料の構造の 1 つのレベルだけ考慮する障害および病気の慣習的なモデルは、関連した構造のフルレンジを捕獲しないし、そのような物が動作をの記述する機能に限られている残ると同時にメカニズムはおよび病気と関連付けられる物質的な故障プロセスに介入します。 欠陥および突然変異という点において障害の理解は基本的に病気が模倣され、可能性としては扱われる方法を変更できます。

未来の研究への展望

Materiomics は生物学の、多重スケールのそしていろいろ機能文脈の材料の理解を高める強力なツールです。 私達の研究の長期目的は生物的材料で検出される物質的な概念の利用によって生物的物の特性をまね、超過する新しい材料を作成するために、分子レベルから始まって、構造および材料の分析そしてデザインを取囲む新しい工学範例を開発することです。

私達は私達の作業が新しい一組のツール総合的な生物的とともに応用、である場合もあるおよび自己アセンブリ方法の開発の車および機械今日使用される同じようなことができる原因となり、材料の新しいクラスをアプローチとの計算機援用設計で建物選び、設計し、作り出す、ことを想像します。 多機能および可変性材料のアベイラビリティはそしてそれ自体異なった材料の使用のための必要を異なった特性を達成する減らしましたり重量および費用の重要な節約を提供するかもしれません。 自己アセンブリに基づいて車、材料の全面的なエネルギー消費そして生態学的な足跡を減らすことができる飛行機および建物の構造アプリケーションのための新しい軽量材料の新しい統合の技術と結合された有機性の (例えばペプチッドか蛋白質) または無機 (例えば鉱物の) 要素のような豊富で自然なブロックの利用は原因となることができます。

参照

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