Materiomics: MaterialVetenskap av Biologiska ProteinMaterial, från Nano till Makroen

Biologi skapar utomordentligt hierarkiskt strukturerar, var initierat på nano fjäll, ställs ut i makro eller fysiologiska multifunctional material för att ge strukturell service, styrkautvecklingen, katalytisk rekvisita eller energiomvandling¹ (se för att Figurera 1). Detta exemplifieras i en lång räcka av biologiska material liksom hår, flår, benar ur, spindelsilk, eller celler, som leker viktiga roller, i att ge som är nyckel-, fungerar till biologiska system².

Vår forskning fokuserar på att studera mekanismen av deformering, och fel av biologiska material, genom att använda en computational materialvetenskap, att närma sig. Vårt mål är att belysa naturens designprinciper, som gör bildandet av material med ovanlig materiell rekvisita lättare^1,3, underlägsna byggande kvarter för illvilja typisk^4,5.

Figurera 1. Tre biologiska proteinmaterial för exempel (A, mellanliggande glödtrådar, B, collagenous silkespapper, C, amyloidproteiner) som avslöjer deras hierarkiska makeup. Vår forskning fokuserar på den materiella utvecklingen av multiscale modellerar, specifikt fokuserat på deras mekaniska uppförande på deformering och fel (figurera taget från Referens. #3).

Dessa försök är delen av ett mer bred sätter in av utredning som ses till som materiomicsen. Materiomics definieras som studien av den materiella rekvisitan av naturligt, och syntetmaterialmaterial, genom att undersöka grund, anknyter bearbetar, strukturerar between och rekvisita på multipelfjäll, från nano till makroen, genom att använda systematiska experimentella, teoretiska eller computational metoder^6,7.

För att ge en botten-uppbeskrivning av materialuppförande applicerar vårt tvärvetenskapliga lag av studentdeltagare, doktorander och postdocs en försöksvis validerad atomistic baserad mång--fjäll simulering att närma sig som betraktar strukturera-processaa-egenskapen paradigmen av materialvetenskap, och arkitekturen av proteiner från det atomistic jämnar overallen strukturerar upp till. Detta nya Viewpoint anknyter kemi och genetik till resulterande funktionell materiell rekvisita och ger oss med ett kraftigt fundament för att fråga grund ifrågasätter om uppförandet av biologiska material.

Dessutom modellerar utvecklingen av mång--fjäll som är hierarkisk för att förklara deformeringen, och felmekanismen av biologiska material ger kritisk inblick in i hur biologiska material göras och hur de härleder deras unika rekvisita. Detta lära-från-fel-att närma sig har redan bevisat att vara användbart för iscensatte material, och dess applikation till biologiska material rymmer löftet att omforma vår överenskommelse av nyckel- materiella designprinciper som har evolved i natur⁸.

I delar upp efter oss granskar två fallstudiear som visar applikationen av materiomicsen.

Hierarkiska Structures är Avgörande Att Ge Multipeln, Olikartad Rekvisita i en Materiell Singel

Vårt arbete har bidragit för att förklara några av den mest anmärkningsvärda rekvisitan av biologiska material, specifikt fungerar deras kapacitet att ge multipel stränga begränsningar för illvilja i det kvalitets- av tillgängligt bygga kvarter, och kapaciteten att anpassa till olikt miljö- villkorar (för en granska, se Referens. #3).

Till exempel är strukturerar är styrka, robustheten och anpassningsförmåga rekvisita av grundbetydelse till biologiska material och och avgörande till att ge funktionell rekvisita till att bo system. Styrka definieras som maximat styrka (eller pressa), en materiell canmotståndskraft, innan du bryter. Robustheten definieras som kapaciteten av ett materiellt att tolerera skavanker och hoppar av i dess strukturella makeupstunder som underhåller dess kapacitet att ge funktionsduglighet.

Anpassningsförmåga ser till kapaciteten av ett materiellt att klara av med att ändra som är miljö-, villkorar. Dessa rekvisita är avgörande för material i biologi (liksom flå, bena ur, spindelsilk eller celler), som endera ge strukturell service sig själv (liksom skelett som bildas av ben), eller behöver motståndskraft som mekanisk deformering under den physiologic det normala villkorar (liksom celler och silkespappret som är tillhörande med blodkärl som är utsatta till pressa av blod).

I att iscensätta är styrka och robustheten olikartad rekvisita (se för att Figurera 2), och den återstår utmana att skapa material som sammanslutningen dessa två särdrag. Exponeringsglas eller keramik, till exempel, är typisk mycket starka material. Emellertid är de inte mycket robustt: Även en liten spricka i ett exponeringsglas eller ett försök för att deformera ska bly- för exponeringsglas betydligt till katastrofalt fel.

Figurera 2. Schematiskt av detstyrka området och att jämföra iscensatte material och biologiska material. Kvadrerar föreställer olikt hierarkiskt strukturerar, planlagt baserat på mer än 16.000 alfabetisk-spiralformiga proteinglödtrådar. Analysen visar, att mest slumpmässig 98,13%) nedgång för ordningar (på denkallade bananen buktar, mer få stunder, specifikt planlagt strukturerar nedgången (för 1,98%) på omvändningbananen buktar (figurera taget från Referens. #3).

I kontrast belägger med metall liksom förkopprar är mycket robustt; emellertid motstår de typisk inte stora styrkor. Yet låter dessa material för stor deformering, och även leder existensen av sprickor i det materiellt inte till ett plötsligt sammanbrott. Yet är kombineras många biologiska material (liksom cell- proteinglödtrådar, blodkärl, collagenous silkespapper liksom senan, spindelsilk, ben, sena, flår), kapabla av att ge både rekvisita - styrka och robusthet, mycket effektivt och också med kapaciteten att anpassa till ändringar i miljön^1,3.

Det nyckel- som förstår dessa anmärkningsvärda rekvisita, är den särskilda strukturella makeupen av biologiska material som består av få distinkt beståndsdelar (liksom alfabetisk-spiraler eller beta-att täcka proteinområden), men en stor mångfald i strukturell ordning av dessa beståndsdelar på den materiella multipeln jämnar, från nano till makroen^1,3. Mest fibrer, silkespapper, organ och organismer som finnas i natur visar att ett högt hierarkiskt och organiserat strukturerar, var särdrag är fann alls fjäll och att spänna från proteinmolekylar (≈50 Å), proteinenheter (≈1 till 10 nm), fibrils och fibrer (≈10 till µm 100), till celler (µm ≈50) och till silkespapper och organ (≈1000s och mer µm).

Mest tidig sortstudier har fokuserat på utredningar på singelfjäll, eller behandlade silkespapper eller den cell- microenvironmenten, som ett oavbruten följdmedel utan heterogent strukturerar (e.g studier, som undersöker isolerat, verkställer av materiell styvhet eller rollen av kemiska stickrepliker bara på celluppförande). Emellertid orsaka - och - verkställa av biologiska materiella mekaniker är mer komplex, än en ental matar in på ett specifikt fjäll, och thus, undersökningen av hur en spänna av materiella fjäll och hierarkier bidrar till bestämt biologiskt fungerar och dysfunction har dykt upp som en kritisk aspekt i framflyttning av vår överenskommelse av rollen av material i biologi i både ett fysiologiskt och patologiskt sammanhang. Specifikt beskärningen av hur naturligt - uppstående biologiska proteinmaterial är kapabla av att ena olikartad mekanisk rekvisita liksom styrka, är robustheten och anpassningsförmåga av viktigt intresserar för både biologiskt och att iscensätta vetenskap och har tilldragit viktig uppmärksamhet.

Till Och Med den computational utvecklingen av multiscale modellerar som ger en framställning av multipeln som, den materiella hierarkin jämnar i en singel modellerar, har vi belyst huvudrollen som multiscalemekaniker leker, i definition ett materials av ultimat svar på fel, och hur naturens strukturella designprinciper definierar den hierarkiska makeupen av biologiska material^9,10. Detta processaa rimliga evolutionarily drivande, möjliggör biologiska material till olikartad rekvisita för sammanslutningen liksom styrka, robusthet och anpassningsförmåga och kan förklara existensen av universella strukturella särdrag som observeras i en variation av biologiska material, över art (Figurera 2)¹¹.

Osteogenesis Imperfecta, Bräcklig BenSjukdom

Materiomics kan också appliceras till studien som det katastrofala sammanbrottet av biologiska material under sjukdom villkorar. Osteogenesisimperfectaen är en genetisk oordning i collagenen som karakteriseras av den mekaniskt försvagade senan, bräckliga ben, skeletal missbildningar och i för födseln död för stränga fall¹². Vårt arbete har visat, att osteogenesisimperfectamutationar kompromissar strängt den mekaniska rekvisitan av collagenous silkespapper på multipelfjäll, från singelmolekylar till collagenfibrils^13,14.

Mutationar, som leder till den strängaste korrelaten för osteogenesisimperfectafenotypen med det starkast, verkställer och att leda till försvagad intermolecular adhesion, ökande intermolecular göra mellanslag, förminskande styvhet såväl som en förminskande felstyrka av collagenfibrils som kompromissar kapaciteten av collagenen att ge styrka och toughness till connectivesilkespappret. Vårt arbete har visat att resonera för denna är en ändring i fibrilsna för collagenen för spänningsfördelning de inre och är tack vare bildandet av nano-sprickor var spänningskoncentrationer på tränga någon framkallar (Figurera 3).

Figurera 3. Verkställa av osteogenesisimperfecta på (de lämnade) fibrilsna för collagenen för spänningsfördelning inre och resulterande ändring i detanstränga svaret (rätt)14. Bildandet av nanocracks på läget av mutationar resulterar i lokalspänningskoncentrationer (som markeras med rött, färga), som förminskar den total- styrkan av fibrilen, som det framkallar intermolecular sax på dämpar applicerat laddar.

Vårt rön ger inblick in i mång--fjäll mekanismen av denna sjukdom och leder till förklaringar av karakteristiska särdrag för osteogenesisimperfectasilkespappret liksom förminskande mekanisk styrka, lägre crosslinktäthet, och ändringar i de långt mineraliska plateletsna är utdelade. Våra resultat för den första tiden förklarar hur singeln pekar mutationar på nanoscalen kan leda till katastrofalt silkespapperfel på mycket större längd-fjäll.

Det nyckel- som förstår denna dramatiska ändring i materiellt uppförande, är att fel måste förstås som ettfjäll fenomen, var samspelet av mekanism på multipelfjäll definierar det ultimat materiella svaret. Konventionellt modellerar av fel, och sjukdomen, som betraktar endast en jämn av materialet strukturerar, tillfångatagandet det fullt inte spänner av relevant strukturerar, och mekanismen och, som sådan, återstår inskränkt i deras kapacitet att beskriva deras uppförande av ingriper i materiellt sammanbrott bearbetar tillhörande med sjukdomen. Överenskommelsen av fel i sammanhanget av hoppar av, och mutationar kunde grundläggande ändra sjukdomarna modelleras långt och behandlas potentiellt.

Framtidsutsikt till Framtida Forskning

Materiomics är ett kraftigt bearbetar för att förhöja överenskommelsen av material i biologi, på multipelfjäll och i en variation av funktionella sammanhang. Det långsiktiga målet av vår forskning är att framkalla en ny iscensätta paradigm, som encompasses analysen, och designen av strukturerar och material, start från det molekylärt jämnar, för att skapa nya material som efterapar och överskrider rekvisitan av biologiska, genom att använda materiella begrepp som upptäcks i biologiska material.

Vi föreställa sig att vårt arbete kan leda till utvecklingen av en ny uppsättning av bearbetar som kan appliceras, samman med den biologiska syntetmaterialet och själv-enhet metoder, för att välja, att planlägga, och jordbruksprodukter ett nytt klassificerar av material, liknande till att närma sig använt i dag i datastödd design av byggnader, bilar och bearbetar med maskin. Tillgängligheten av material multifunctional och som kan ändras förminskar nödvändigheten för bruket av olika material att uppnå olik rekvisita och som sådan, kan ge viktiga besparingar väger och kostar in. Utilizationen av överflödande naturliga byggande kvarter liksom organiska (e.g peptides eller proteiner) eller oorganiska konstituent (e.g för mineraler som) kombinerades med nya syntestekniker som baserades på själv-enheten, kunde leda till nya lättvikts- material för strukturella applikationer i bilar, flygplan och byggnader som kunde förminska den total- energiförbrukningen och det ekologiska fotspåret av material.

Hänvisar till

1. Buehler, M.J. och Y.C. Yung, Deformering och fel av proteinmaterial i ytterlighet villkorar physiologically och sjukdomen. NaturMaterial, 2009. 8(3): p. 175-188.
2. Fratzl, P. och R. Weinkamer, Naturs hierarkiska material. Framsteg i MaterialVetenskap, 2007. 52: p. 1263-1334.
3. Buehler, M.J. och Y.C. Yung, Hur proteinmaterial balanserar styrka, robusthet och anpassningsförmåga. HFSP Förar Journal över, 2010: p.-doi: 10.2976/1.3267779.
4. Keten, S. och M.J. Buehler, Geometrisk Fångenskap Reglerar BristaStyrkan av H-Förbindelsen Enheter på ett Fjäll för Kritisk Längd. Nano Märker, 2008. 8(2): p. 743 - 748.
5. Keten, S., Z. Xu, B. Ihle och M.J. Buehler, Nanoconfinement kontrollerar styvhet, styrka, och mekanisk toughness av beta-täcker kristaller i silk. 2010.
6. Espinosa, H.D., J.E. Kant, F. Barthelat och M.J. Buehler, Merger av strukturerar och materiellt i nacre och benar ur - Perspektiv på de novo biomimetic material. Framsteg i MaterialVetenskap, 2009. 54(8): p. 1059-1100
7. Buehler, för M.J., S. Keten och för T. Ackbarow, Teoretiskt och computational hierarkisk nanomechanics av proteinmaterial: Deformering och bryter. Framsteg i MaterialVetenskap, 2008 53: p. 1101-1241.
8. Buchanan M. som Lärer från fel. NaturFysik, 2009. 5(10): p. 705.
9. Qin, Z., L. Kreplak och M.J. Buehler som Är Hierarkisk strukturerar kontrollerar nanomechanical rekvisita av vimentinintermediateglödtrådar. PLoS EN, 2009. 4(10): p. e7294.
10. Ackbarow, T., D. Sen, C. Thaulow och M.J. Buehler, Alfabetisk-Spiralformigt Protein Networks är den Skyddande Själven och den Toleranta Skavanken. PLoS EN, 2009. 4(6): p. e6015.
11. Buehler, M.J. och S. Keten, Fel av molekylar, ben och jorden sig själv. Rev. Ändring. Phys., 2010. i press.
12. Rauch, F. och F.H. Glorieux, Osteogenesisimperfecta. Lancet 2004. 363(9418): p. 1377-1385.
13. Gautieri, A., S. Vesentini, A. Redaelli och M.J. Buehler, Singelmolekyl verkställer av osteogenesisimperfectamutationar i tropocollagenproteinområden. Protein Sci, 2009. 18(1): p. 161-8.
14. Gautieri, A., S. Uzel, S. Vesentini, A. Redaelli, och M.J. Buehler, Molekylära och mesoscalemekanism av osteogenesisimperfectasjukdomen i collagenfibrils. Biophys J, 2009. 97(3): p. 857-65.