Si bien la mayor parte de la biología y la medicina se centran en los roles clave que juegan los genes y las sustancias químicas en la formación y el control de los sistemas vivos, la disposición espacial de los componentes que componen esos sistemas y las fuerzas físicas que experimentan se reconocen cada vez más como igualmente importantesDonald Ingber, MD, Ph.D., Director Fundador del Instituto Wyss de la Universidad de Harvard, comenzó a investigar esta "arquitectura de la vida" hace más de treinta y cinco años, y descubrió que la Naturaleza usa un principio arquitectónico conocido como "tensegridad" abreviatura de "integridad tensional" para estabilizar las formas de las células vivas y determinar cómo responden a las fuerzas mecánicas.
Las estructuras de tensegridad consisten en elementos que están en un estado de tensión o compresión, y el equilibrio entre esas fuerzas que interactúan permite que dichas estructuras se estabilicen en un estado de tensión isométrica, al igual que los músculos y los huesos de nuestros cuerpos.El "pretensado" permite que toda la estructura resista tensiones de fuerzas externas, se deforme de forma controlada y vuelva a su forma original espontáneamente cuando se elimina la tensión. La idea de que la tensión dicta la forma y organización de las células vivas fue inicialmente controvertida.pero como resultado de la validación experimental en múltiples sistemas, ha ganado una mayor aceptación con el tiempo.
La tensegridad también puede ser jerárquica, ya que cada elemento estructural puede ser en sí mismo una estructura de tensegridad a menor escala, manteniendo la integridad tensional tanto local como globalmente. Sobre la base de estas propiedades, Ingber también propuso en un artículo "Scientific American" en1998 esa tensegridad podría aplicarse más allá del nivel celular a escalas de vida de todos los tamaños, desde átomos hasta organismos completos.El trabajo reciente de Ingber y otros ha proporcionado apoyo experimental para esa hipótesis al demostrar que la tensegridad se usa a escala de núcleos celulares, elementos del citoesqueletoy moléculas individuales. Sin embargo, investigar cómo funciona la tensegridad en estructuras jerárquicas complejas que sufren cambios dramáticos en su forma y forma como las enzimas y otras proteínas ha resultado ser un desafío, en parte debido a las limitaciones de los métodos de modelado biológico existentes.
Utilizando un método de modelado multiescala recientemente desarrollado, Ingber quien también es el profesor de biología vascular Judah Folkman en la Facultad de Medicina de Harvard y el Programa de Biología Vascular en el Hospital de Niños de Boston, y profesor de bioingeniería en la Escuela John A. Paulson de HarvardEngineering and Applied Sciences y el científico del personal de Wyss, Charles Reilly, han demostrado con éxito que los principios de tensegridad se utilizan en varios niveles de tamaño y complejidad estructural dentro de las células vivas. Su trabajo también reveló cómo los cambios en la forma molecular basados en la tensegridad pueden impulsar el movimiento celularpartes. La investigación, reportada en Cartas de mecánica extrema , aclara aún más la importancia de la tensegridad como principio fundamental de la biología.
El nuevo enfoque de modelado computacional del equipo adopta una visión holística, tratando cada modelo como una serie de operaciones matemáticas que pueden cambiar dinámicamente en respuesta a diferentes entradas en lugar de una colección de puntos de datos estáticos ". La diferencia entre nuestro método y otros métodos de modeladoes un poco como las diferentes formas en que puede usar las hojas de cálculo de Excel ", dice Reilly." Si coloca manualmente un grupo de datos en una hoja de cálculo y luego cambia el contenido de una celda, no actualizará las otras celdas a su alrededor. Perosi usa una fórmula y alimenta cualquier cambio de datos a través de esa fórmula, actualiza automáticamente todas las celdas en la hoja de cálculo. Eso es esencialmente lo que estamos haciendo, pero para modelos multiescala de moléculas biológicas y sistemas de diferentes tamaños y complejidad ".
Esta estrategia, también conocida como "modelado de procedimientos", permite que los datos de diferentes escalas de tamaño y formatos se integren en un modelo de múltiples escalas, construyéndolos de arriba hacia abajo y de arriba hacia abajo simultáneamente, en lugar de comenzar con datos discretosconjuntos que describen solo un aspecto del modelo e intentan conciliarlos.En una publicación reciente en ACS Nano, Reilly e Ingber desarrollaron este método combinando enfoques de software de animación por computadora de la industria del entretenimiento con herramientas rigurosas de simulación de dinámica molecular comúnmente utilizadas en biologíautilizaron este novedoso enfoque de simulación para construir un modelo de una célula de esperma que demuestra el movimiento celular desde las moléculas de proteína de dineína individuales en la cola hasta la célula completa, lo que les permite observar cómo se reflejan los cambios a nivel atómico.estructuras de mayor escala. También aprovecharon este avance para producir una película animada entretenida para el público laico que transmite la belleza y la bellezainicio de la fertilización del huevo titulada "The Beginning", que se publicó junto con el documento.
En su artículo más reciente, muestran que este mismo modelo revela tensegridad en el trabajo a través de escalas de múltiples tamaños en la estructura jerárquica de una célula viva. A nivel molecular, se encontró que las moléculas de dineína individuales cuyas formas son estabilizadas por pretensado tienen áreas demayor rigidez alrededor de sus sitios de unión de ATP, que resisten la deformación por la energía entrante del ATP y, en cambio, traducen esa fuerza en el movimiento característico de la molécula de dineína. Los cambios de forma colectiva de múltiples dineínas generan fuerzas tensionales que se ejercen sobre los microtúbulos largos resistentes a la compresión paraque se unen a una escala de mayor tamaño. Estas fuerzas tensionales impulsan la flexión cíclica de los microtúbulos, lo que provoca una flexión rítmica de la cola del esperma a nivel de toda la célula.
"Este es el primer estudio, hasta donde sabemos, que demuestra la continuidad mecánica, la transferencia de deformación y los cambios conformacionales que resultan de la liberación de energía química desde la escala atómica hasta el nivel de la célula completa, así como la forma en que la tensegridad guía a esoscambios para impulsar el movimiento celular ", dice Ingber.
Los investigadores luego modelaron un nuevo sistema con el mismo proceso: la enzima mitocondrial ATP sintasa, que también exhibe un cambio conformacional distinto que es dictado por la aplicación de fuerza a la estructura de la enzima, que se propaga a través de la tensegridad. Cambiar la concentración deLa molécula de sustrato de la enzima en el modelo produjo un resultado que describía cómo la ATP sintasa interactúa con su microambiente. Investigaciones adicionales sugirieron que la mayor prevalencia de moléculas de enzima en los pliegues interno versus externo de las crestas mitocondriales podría, de hecho, contribuir a las propiedades físicas.del microambiente, lo que implica que la tensegridad también estabiliza las estructuras a la escala de las complejas interacciones multimoleculares.
"Centramos nuestra investigación en este documento en estructuras a escala celular y hacia abajo, pero este método de modelado también puede extenderse a estructuras más grandes, de modo que pueda modelar casi cualquier sistema multiescala", dice Reilly. Los investigadores anticipan que suEl enfoque podría usarse para producir modelos para una variedad de aplicaciones, desde la mecanobiología hasta la transducción de señales celulares y la decodificación de las bases de la vida misma.
"La Tensegridad es un buen ejemplo de un principio de diseño biológico que nos ha inspirado aquí en el Instituto Wyss, y que aprovechamos para crear nuevas tecnologías", agrega Ingber. "Por ejemplo, trabajando con [miembro fundador de la Facultad yCo-líder de Molecular Robotics] William Shih, construimos nanodispositivos de ADN basados en la tensegridad que pueden programarse para cambiar de forma según las necesidades de las aplicaciones biomédicas, y con [miembro de la Facultad Core y co-líder de Bioinspired Robotics] Radhika Nagpal, diseñamos un auto-robot modular deformante que puede realizar una variedad de maniobras más rápidamente que los robots tradicionales. Ahora que tenemos un enfoque de modelado que valida e incorpora la tensegridad, esperamos poder estudiarlo y emplearlo de formas completamente nuevas e inesperadas ".
Esta investigación fue apoyada por fondos del Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada en la Universidad de Harvard.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada en Harvard . Original escrito por Lindsay Brownell. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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