Materiomics: Nano에서 모듬 명령에 생물학 단백질 물자의 재료 과학,

생물학은 절묘하게 nano 가늠자에 개시해 만들고, 큰 생리적인 다기능 물자에서 구조상 지원, 군대 발생, 촉매 속성 또는 에너지 전환을 제공하기 위하여 계층적 구조를 전시됩니다¹ (숫자 1)를 보십시오. 이것은 생물 체계에 중요한 기능 제공에 있는 중요한 역할을 하는 머리 피부, 뼈, 거미 실크 또는 세포와 같은 생물학 물자의 광범위에서 궁행됩니다².

컴퓨터 재료 과학을 이용해서 생물학 물자의 개악 그리고 실패의 기계장치 공부에 우리의 연구 초점은 접근합니다. 특별하은 물자 속성을 가진 물자의 대형을 촉진하는 우리의 목표는 전형적으로 열등한 빌딩 블록에도 불구하고^1,3성격의 설계 원리를 설명하기 위한 것입니다^4,5.

숫자 1. 그들의 계층적인 메이크업을 제시하는 3개의 보기 생물학 단백질 물자 (A 의 중간 필라멘트, B 의 교원 섬유 조직, C 의 녹말체 단백질). 우리의 연구는 특히 개악과 실패 (참고 #3)에 그들의 기계적인 행동에에게서 취하는 숫자 집중된 multiscale 물자 모형의 발달에, 집중합니다.

이 노력은 materiomics로 불린 수사의 더 넓은 필드의 일부분입니다. Materiomics는 자연의 물자 속성의 연구 결과로 정의되고 다중에 프로세스, 구조물 및 속성 사이 기본적인 링크를 검토해서 합성 물질은, nano에서 모듬 명령에, 체계적인 실험, 이론 또는 컴퓨터 방법을 사용해서 오릅니다^6,7.

물자 행동의 상향식 묘사를, 대학생 제공하기 위하여는, 대학원 학생 및 postdocs의 우리의 많은 분야와 관련된 팀은 전반적인 구조물까지 원자 수준에서 단백질의 재료 과학 그리고 아키텍쳐의 구조물 프로세스 속성 패러다임을 고려하는 실험적으로 유효하게 한 원자 기지를 둔 다중 가늠자 시뮬레이션 접근을 적용합니다. 이 소설 관점은 유래 기능적인 물자 속성에 화학과 유전학을 연결하고, 강력한 기초를 생물학 물자의 행동에 관해서 기본적인 질문을 물어보기 위하여 저희에게 제공합니다.

더욱, 다중 가늠자, 생물학 물자의 개악 그리고 장애 메커니즘을 설명하는 계층 모형의 발달은 생물학 물자가 어떻게 하는, 그리고 어떻게로 그들의 유일한 속성을 파생하는지 중요한 통찰력을 제공합니다. 이 배우 에서 실패 접근은 이미 설계한 물자를 위해 유용하 증명하고, 실제로 발전한 주요 물질 설계 원리의 우리의 이해를 변형시키는 약속이 생물학 물자에 그것의 응용에 의하여 보전됩니다⁸.

뒤에 오는 단면도에서 우리는 materiomics의 응용을 설명하는 2개의 사례 연구를 검토합니다.

계층적 구조는 단 하나 물자에 있는 다중의, 이종 속성을 제공하게 결정적 입니다

우리의 일은 몇몇을의 생물학 물자, 특히 그들의 기능 유효한 빌딩 블록의 질에 있는 가혹한 제한에도 불구하고 다중 기능을 제공하는, 및 다른 환경 조건에 적응시키는 기능의 가장 현저한 속성 설명하기 위하여 기여했습니다 (검토를 위해, 참고 #3)를 보십시오.

예를 들면, 병력, 강건함 및 적응성은 생물학 물자 및 구조물에 기본적인 중요성의 속성이고, 살아있는 시스템에 기능적인 속성 제공 결정적입니다. 병력은 최대 군대 정의됩니다 (또는 압력)로 물자가 끊기 전에 저항할 수 있는. 강건함은 그것의 구조상 메이크업에 있는 결함 그리고 결점을 관대히 다루는 물자의 기능으로 기능을 제공하는 그것의 기능을 유지하고 있는 동안 정의됩니다.

적응성은 환경 조건을 바꾸기를 극복하는 물자의 기능을 나타납니다. 이 속성은 생물학에 있는 물자를 위해 결정적 (피부 뼈, 거미 실크, 또는 세포와 같은) 구조상 지원을 그들자신 (뼈에 의해 형성되는 해골과 같은) 제공하거든 이고 일반적인 생리적인 조건 하에서 기계적인 개악을 저항할 필요가 있습니다 (세포와 조직과 같이 혈액의 압력에 드러내는) 혈관과 관련시켰습니다.

기술설계에서는, 병력과 강건함은 이종 속성입니다 (숫자 2)를 보십시오, 도전적 이러한 두 종류 특징을 결합하는 물자를 만들기 위하여 남아 있고. 유리 또는 세라믹스는, 예를 들면, 전형적으로 아주 강한 물자입니다. 그러나, 그(것)들은 아주 강력하지 않습니다: 유리를 모양없이 하는 유리에 있는 작은 균열, 또는 시도 조차 돌발 고장으로 상당히 이끌어 낼 것입니다.

강건함 병력 도메인의 숫자 2. 개략도, 설계된 물자 및 생물학 물자 비교. 사각은 디자인된 다른 계층적 구조를 16,000 알파 나선형 단백질 필라멘트에 기지를 두어 나타냅니다. 분석은 몇몇은 반대 바나나 곡선 (참고 #3)에, 특히 디자인하는 구조물 (1.98%)에게서 취하는 숫자 떨어지는 그러나 대부분의 무작위 배열 (98.13%)가 소위 바나나 곡선에 떨어진다는 것을 보여줍니다.

대조적으로, 구리와 같은 금속은 아주 강력합니다; 그러나, 그(것)들은 전형적으로 대규모 병력을 저항하지 않습니다. 아직까지, 이 물자는 큰 개악을 허용하고, 물자에 있는 균열의 실존 조차 급격한 고장으로 이끌어 내지 않습니다. 아직까지, 많은 생물학 물자는 (심줄과 같은 셀 방식 단백질 필라멘트 혈관, 교원 섬유 조직 거미 실크, 뼈, 심줄, 피부와 같은) 속성 - 병력과 강건함 둘 다, 아주 효과적으로 제공 가능하, 또한 환경에 있는 변경에 적응시키는 기능에 결합됩니다^1,3.

이 현저한 속성을 이해하는 키는 nano에서 모듬 명령에 다중 물자 수준에 몇몇 명백한 성분 (알파 나선 또는 beta 장 단백질 도메인과 같은) 그러나 이 성분의 구조상 배열에 있는 중대한 다양성으로, 이루어져 있는 생물학 물자의 특정한 구조상 메이크업 입니다^1,3. 실제로 찾아낸 대부분의 섬유, 조직, 기관 및 유기체는 특징이 모든 가늠자에 있는 단백질 분자 (≈50 Å), 단백질 집합 (≈1에서 10 nm에), 소 및 섬유 (≈10 100 µm에), 세포 (≈50 µm)에, 그리고 조직과 기관 (≈1000s와 추가 µm)에 구역 수색하는 높게 계층 적이고 및 편성한 구조물을, 보여줍니다.

일찌기 연구 결과는 단 하나 가늠자에 수사에, 또는 연속체 매체로 이질적인 구조물 (세포 행동에 대한 혼자 화학 큐의 물자 뻣뻣함 역할의 고립된 효력을 검토하는) 예를들면 없이 취급한 조직 또는 셀 방식 미시 환경 연구 결과 집중했습니다. 그러나, 생물학 물자 기계공의 원인과 결과는 물자 가늠자의 범위 및 계층구조가 어떻게의 특정 생물학 기능에 기여하고 역기능이 생리기도 하고 병리학적인 문맥지에 있는 생물학에 있는 물자의 역할의 우리의 이해 진행에 있는 중요한 양상으로 나온지 특정 가늠자에 유일한 입력 보다는 더 복잡하, 이렇게, 검사. 자연적 사건 생물학 단백질 물자가 병력과 같은 이종 기계적 성질 통일 가능한 어떻게의 지 특히, 기점 강건함 및 적응성은 생물학기도 하고 공학을 위한 중요한 관심사의 이고, 중요한 관심을 모았습니다.

, 그리고 성격의 건축 설계 원리가 생물학 물자의 계층적인 메이크업을 정의하는지 어떻게, 제공하는 multiscale 컴퓨터 모형의 발달을 통해 다중 물자 계층구조의 대표는 단 하나 모형에서 수평하게 합니다, 우리는 multiscale 기계공이 실패에 물자의 궁극적인 반응 정의에서 하는 핵심 역활 설명했습니다^9,10. evolutionarily 몬 이 프로세스는, 아마, 생물학 물자를 병력 강건함 및 적응성과 같은 이종 속성을 결합하는 가능하게 하고, 종 (숫자 2)를 통해 다양한 생물학 물자에서, 관찰된 보편적인 구조상 특징의 실존을 설명할 수 있습니다¹¹.

Osteogenesis Imperfecta 의 부서지기 쉬운 뼈 질병

Materiomics는 또한 질병 조건 하에서 생물학 물자의 비극적인 고장을 공부하기 위하여 적용될 수 있습니다. Osteogenesis imperfecta는 기계적으로 약해진 심줄, 허약한 뼈, 골격 기형 및 최악의 경우에 태아기 죽음이 특징인 교원질에 있는 유전자 질환입니다¹². 우리의 일은 단 하나 분자에게서 교원질 소에 osteogenesis imperfecta 돌연변이가 다중 가늠자에 가혹하게 교원 섬유 조직의 기계적 성질을 손상한다는 것을, 보여주었습니다^13,14.

가장 강한 효력과의 가장 가혹한 osteogenesis imperfecta 표현형 상관물로 이끌어 내는 약해진 분자 사이 접착으로 이끌어 내는 돌연변이는, 교원질 소의 분자 사이 간격, 감소된 뻣뻣함, 뿐 아니라 결합 조직에 병력과 강인성을 제공하는 교원질의 기능을 손상하는 감소된 실패 병력을 증가했습니다. 우리의 일은 이것을 위한 이유가 교원질 소 안쪽에 긴장 배급에 있는 변경이고, 구석에 응력 집중이 발전하는 nano 균열의 대형 때문이 보여주었습니다 (숫자 3).

(맞은) 응력 변형 반응에 있는 (남겨두는) 교원질 소 안쪽에 긴장 배급에 대한 osteogenesis imperfecta의 숫자 3. 효력, 그리고 유래 변경14. 소의 전반적인 힘을 온건한 적용되는 짐에 분자 사이 가위를 유도하는 때 감소시키는 돌연변이의 위치에 nanocracks의 대형은 (빨간색으로 표를 하는) 국부 응력 사격량 귀착됩니다.

우리의 사실 인정은 이 질병의 다중 가늠자 기계장치로 통찰력을 제공하고, 감소된 기계적인 병력 더 낮은 교차 결합 조밀도와 같은 독특한 osteogenesis imperfecta 조직 특징의 설명으로 이끌어 내고 쪽 무기물 혈소판에 있는 변경은 분산됩니다. 우리의 결과는 처음으로 nanoscale에 단일 지점 돌연변이가 매우 더 큰 길이 가늠자에 비극적인 조직 실패로 어떻게 이끌어 낼 수 있는지 설명합니다.

물자 행동에 있는 이 극적인 변화를 이해하는 키는 실패가 다중 가늠자에 기계장치의 상호 작용이 궁극적인 물자 반응을 정의하는 다중 가늠자 현상으로 이해되어야 하다 입니다. 물자의 구조물의 단지 1개 수준만 고려하는 실패와 질병의 전통적인 모형은, 관련된 구조물의 전 범위를 붙잡지 않으며 그 같은이 그들의 행동을의 기술하는 그들의 기능에서 한정된 남아 있는 때 기계장치는 및 질병과 관련되었던 물자 고장 프로세스에서 개입합니다. 결점과 돌연변이의 환경에서 실패의 이해는 기본적으로 질병이 만들어지고 잠재적으로 취급되는 쪽을 바꿀 수 있었습니다.

미래 연구에 전망

Materiomics는 생물학에 있는, 다중 가늠자에 그리고 다양한 기능적인 문맥에서 물자의 이해를 강화하는 강력한 공구 입니다. 우리의 연구의 장기 목표는 생물학 물자에서 발견된 물자 개념을 이용해서 생물학 그들의 속성을 흉내내고 초과하는 새로운 물자를 만들기 위하여, 분자 수준에서 출발, 구조물과 물자의 분석 그리고 디자인을 포위하는 새로운 기술설계 패러다임을 개발하기 위한 것입니다.

우리는 우리의 일이 합성 생물학과 함께 적용될, 수 있는 공구 및 각자 집합 방법의 새로운 세트의 발달로 차 및 기계 오늘 사용된 유사한 이끌어 내고, 물자의 새로운 종류를 접근과의 컴퓨터 원조 설계에서 건물 선정하고, 디자인하고, 일으킬, 수 있다는 것을 계획합니다. 다기능과 변하기 쉬워 물자의 가용성은 다른 속성을 달성하는 감소시키고, 그것 자체 다른 물자의 사용을 위한 필요성을 무게와 비용에 있는 중요한 savings를 제공할 수 있습니다. 각자 집합에 근거를 둔 차, 비행기 및 물자의 전체 에너지 소비 그리고 생태학적인 발자국을 감소시킬 수 있던 건물에 있는 구조상 응용을 위한 새로운 경량 물자로 비발한 종합 기술과 결합된 유기의 (예를들면 펩티드 또는 단백질) 또는 무기 (예를들면 무기물) 성분과 같은 풍부한 자연적인 빌딩 블록의 이용은, 이끌어 낼 수 있었습니다.

참고

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