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在分子水平上揭示胶原蛋白生长秘密

日期:2014-11-11 00:00:00

由得克萨斯州AM大学的生物医学工程师组成的一个研究组,在分子水平上揭示胶原蛋白如何生长,以及其如何有助于机体的结构多样化的形成,包括骨骼,肌腱,血管,皮肤,心脏,甚至眼角膜等各种结构。采用计算机模型,及新开发的计算机程序,A&M大学生物医学工程系的副教授Wonmuk Hwang,已经能够区分不同条件下形成的复杂胶原蛋白网络在分子水平上的差异。

 

胶原蛋白,普遍作为化妆品使用,是人体内最为丰富的一种蛋白质。作为结缔组织的主要结构蛋白,它们也在肌腱,韧带和皮肤中被发现。而且角膜,软骨,骨骼,血管和牙齿也富含这些蛋白质。Hwang研究了胶原蛋白是如何形成这样一个多样化的材料。具体而言,他研究了胶原蛋白纤维在表面上如何组装有序的网络。

 

Hwang说,胶原蛋白的表面组装,特别是与生物医学工程师正在寻找使用基于胶原蛋白的涂料的植入式医疗设备,为了防止该设备被人体的免疫系统拒绝。“大家比较了胶原蛋白形成的结构上的差异,” Hwang说,“来自于机体的不同部位的这些分子之间的真正区别是什么?形成骨和形成角膜的胶原蛋白之间存在什么差异?如果您在分子水平研究这个问题,你可以开始看到差异。大家的研究旨在为这些差异提供一个量化和细致的分析。”

 

作为他研究的一部分,Hwang发现,胶原纤维组装成一个三角形状的复杂网络,其中较大的形状内装着较小的。Hwang说明道,这种类型的结构网络是由科学家根据不规则碎片形划分的。胶原蛋白不是唯一的不规则模式(分形模式/图案),事实上,这种图案分布在整个自然界中,例如水系,白云,海滨线和山区。类似的网络甚至发生在基于光学的电子学的光承载纳米纤维之间。

 

为了说明这种被广泛观察到的现象,Hwang发展了一种理论和计算模型,用于网络形成的过程,让他准确地预测和模拟该网络的生长过程。Hwang对胶原蛋白网络进行模型的测试,借助计算机程序,他开发出一种叫做CAFÉ的技术,(Hwang借助一种叫做CAFÉ的计算机程序,对胶原蛋白网络进行模型的测试)或称为计算机辅助特征提取。Hwang说明说,CAFE可以识别复杂的胶原蛋白网络图像的单个纤维。通过结合模型和CAFÉ,使得这种方法变得可靠。Hwang说,为了准确区分略有不同实验条件下形成的不同网络,类似于区分两幅看起来很像实际上有细微差异的画。这是科学家们努力理解胶原蛋白和它的多功能性的一个重要里程碑。

 

“有了这个程序(CAFÉ),大家可以测量复杂图像中的纤维长度和方向,” Hwang说。“这个很重要,因为一旦大家有这方面的量化信息,大家可以用模拟实验直接比较。大家可以模拟一个真正的胶原蛋白网络的参数和品质的网络。”“当涉及到胶原蛋白的形成时,大家需要了解其在分子水平上发生了什么,以及大家需要能够在可测量的方式,定量中做到这一点,以更好地了解胶原蛋白的生长和分化。这个引导框架导致胶原蛋白增长的理论,以及验证由CAFE计划提供的模拟实验,帮助实现这一目标。”

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