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在分子水平上揭示膠原蛋白生長秘密

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在分子水平上揭示膠原蛋白生長秘密

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由得克薩斯州A與M大學的生物醫學工程師組成的一個研究組,在分子水平上揭示膠原蛋白如何生長,以及其如何有助於機體的結構多樣化的形成,包括骨骼,肌腱,血管,皮膚,心髒,甚至眼角膜等各種結構。
 
采用計算機模型,及新開發的計算機程序,A&M大學生物醫學工程係的副教授Wonmuk Hwang,已經能夠區分不同條件下形成的複雜膠原蛋白網絡在分子水平上的差異。他的研究結果作為科學期刊《Physical Review Letters》的特色封麵文章。
 
膠原蛋白,普遍作為化妝品使用,是人體內最為豐富的一種蛋白質。作為結締組織的主要結構蛋白,它們也在肌腱,韌帶和皮膚中被發現。而且角膜,軟骨,骨骼,血管和牙齒也富含這些蛋白質。Hwang研究了膠原蛋白是如何形成這樣一個多樣化的材料。具體而言,他研究了膠原蛋白纖維在表麵上如何組裝有序的網絡。
 
Hwang說,膠原蛋白的表麵組裝,特別是與生物醫學工程師正在尋找使用基於膠原蛋白的塗料的植入式醫療設備,為了防止該設備被人體的免疫係統拒絕。
 
“我們比較了膠原蛋白形成的結構上的差異,” Hwang說,“來自於機體的不同部位的這些分子之間的真正區別是什麽?形成骨和形成角膜的膠原蛋白之間存在什麽差異?如果您在分子水平研究這個問題,你可以開始看到差異。我們的研究旨在為這些差異提供一個量化和細致的分析。”
 
作為他研究的一部分,Hwang發現,膠原纖維組裝成一個三角形狀的複雜網絡,其中較大的形狀內裝著較小的。Hwang解釋道,這種類型的結構網絡是由科學家根據不規則碎片形劃分的。膠原蛋白不是唯一的不規則模式(分形模式/圖案),事實上,這種圖案分布在整個自然界中,例如水係,白雲,海濱線和山區。類似的網絡甚至發生在基於光學的電子學的光承載納米纖維之間。
 
為了解釋這種被廣泛觀察到的現象,Hwang發展了一種理論和計算模型,用於網絡形成的過程,讓他準確地預測和模擬該網絡的生長過程。Hwang對膠原蛋白網絡進行模型的測試,借助計算機程序,他開發出一種叫做CAFé的技術,(Hwang借助一種叫做CAFé的計算機程序,對膠原蛋白網絡進行模型的測試)或稱為計算機輔助特征提取。Hwang解釋說,CAFE可以識別複雜的膠原蛋白網絡圖像的單個纖維。
 
通過結合模型和CAFé,使得這種方法變得可靠。Hwang說,為了準確區分略有不同實驗條件下形成的不同網絡,類似於區分兩幅看起來很像實際上有細微差異的畫。這是科學家們努力理解膠原蛋白和它的多功能性的一個重要裏程碑。
 
“有了這個程序(CAFé),我們可以測量複雜圖像中的纖維長度和方向,” Hwang說。“這個很重要,因為一旦我們有這方麵的量化信息,我們可以用模擬實驗直接比較。我們可以模擬一個真正的膠原蛋白網絡的參數和品質的網絡。”
 
“當涉及到膠原蛋白的形成時,我們需要了解其在分子水平上發生了什麽,以及我們需要能夠在可測量的方式,定量中做到這一點,以更好地了解膠原蛋白的生長和分化。這個指導框架導致膠原蛋白增長的理論,以及驗證由CAFE計劃提供的模擬實驗,幫助實現這一目標。”