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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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【摘要】:
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,以及其如何有助于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大學生物醫學工程系的副教授WonmukHwang,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。他的研究結果作爲科學期刊《PhysicalReview
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,以及其如何有助于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。他的研究结果作为科学期刊《Physical Review Letters》的特色封面文章。
 
膠原蛋白,普遍作爲化妝品使用,是人體內最爲豐富的一種蛋白質。作爲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面上如何組裝有序的網絡。
 
Hwang說,膠原蛋白的表面組裝,特別是與生物醫學工程師正在尋找使用基于膠原蛋白的塗料的植入式醫療設備,爲了防止該設備被人體的免疫系統拒絕。
 
“我们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。我们的研究旨在为这些差异提供一个量化和细致的分析。”
 
作爲他研究的一部分,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,例如水系,白雲,海濱線和山區。類似的網絡甚至發生在基于光學的電子學的光承載納米纖維之間。
 
爲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,用于網絡形成的過程,讓他准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)或稱爲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,爲了准確區分略有不同實驗條件下形成的不同網絡,類似于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。
 
“有了这个程序(CAFé),我们可以测量复杂图像中的纤维长度和方向,” Hwang说。“这个很重要,因为一旦我们有这方面的量化信息,我们可以用模拟实验直接比较。我们可以模拟一个真正的胶原蛋白网络的参数和品质的网络。”
 
“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。”