对称性在实验室建设的关键生物材料胶原蛋白的关键

Image showing how symmetry allows for tessellating repetition
简单的形状,如这些鱼,可以平铺大表面,如果他们的几何形状允许对称性。边缘每个镶嵌鱼共享与它们的环境是从鱼到鱼相同。类似地,可以在每瓦的化学和物理环境的被设计成是相同的,使科学家能够生产合成胶原的纳米纤维来实现胶原蛋白“砖”的组件。

胶原蛋白组成的软骨在我们的膝关节,在运输我们的血液的血管,是在我们的骨骼的重要组成部分。它是在人类和其他动物的尸体中发现的最丰富的蛋白质。它也是现代医学的一个重要的生物材料,在伤口愈合,组织修复,药物输送和更多使用。

许多临床供应来自于动物,如猪和牛,但它可以导致一些人的过敏反应或疾病。功能人体胶原蛋白已经不可能在实验室中创造。现在,在 研究 这个月在自然界化学公布,一队威斯康星 - 麦迪逊大学的研究人员的描述了可能是关键,越来越多的功能,天然胶原纤维以外的身体:对称性。

“这是巨大的蛋白链,它是很难让他们”研究的主要作者我说。卡格拉tanrikulu,在实验室的助理研究员 罗纳德·雷恩斯,化学教授和生物化学的亨利·拉迪教授。 “因为他们是很长的,你不能合成的化学他们。你不能让他们因为生物的翻译后修饰,”这使胶原蛋白功能的细胞级触摸。

简单的形状,如这些鱼,可以平铺大表面,如果他们的几何形状允许对称性。边缘每个镶嵌鱼共享与它们的环境是从鱼到鱼相同。类似地,可以在每瓦的化学和物理环境的被设计成是相同的,使科学家能够生产合成胶原的纳米纤维来实现胶原蛋白“砖”的组件。

在体内,胶原蛋白是由涉及的该交织以创建长,绳状纤维,已知为三螺旋胶原蛋白的三个单独的股线的相互作用的过程构建的。

多年来,科学家们试图让排列成三螺旋成长为这些长纤维的胶原蛋白的小品,但这个过程依赖于比其他分子如DNA,从而形成了相对简单的规则更为复杂的化学和物理原理双螺旋结构。到目前为止,他们还没有成功地创造或者是足够长的时间或足够厚模仿什么在体内发现的纤维。

然而,这些科学家的工作帮助建立支配胶原建筑的基本原则,一些基本规则。例如,他们发现,使胶原蛋白需要具有只是个别链之间的化学和物理接触适量,鼓励他们结合在一起,成长。

利用新的研究为基本骨架的知识,tanrikulu开始工作基础上,他知道是真规则“设计”胶原蛋白。这些规则包括的氨基酸的特定布置 - 其中创建胶原蛋白 - 和对个人胶原链带电分子之间的特异性相互作用,称为盐桥,即帮助一起链接它们。

相对外人领域,tanrikulu“天真”开始组装的可能的设计方案的集合,忽略了他的一些更有经验的同事们在工作中所采用的教条。

“我天真结束了我最大的力量,说:” tanrikulu。 “我看着它在某种程度上其他人没有。”

他意识到,在三成员的胶原纤维每根头发必须“看到”完全一样的环境,同时在它们之间留下足够的重叠,他们可以与胶原蛋白的其他小品联合起来。

“胶原蛋白纤维的所有部分都在经历着同样的事情,” tanrikulu说。 “像地砖,如果你知道一个瓷砖的形状和使用什么样的对称性,可以覆盖整个表面;或者每瓦片被布置在相同的或其他的边缘将不适合。类似地,如果生长胶原纤维的端部不规则隔开的,化学环境不会是相同的。”

tanrikulu想出了符合标准的对称多种设计。没有他的前辈的版本满足它。

“关键是不能使肽(即充当较大分子的个别瓷砖蛋白质的短版),”他说。 “这是会心,使该肽”。

使用规则和后续设计,tanrikulu能长长的,稳定的胶原纤维在模仿那些在自然界中发现的实验室。现在,他正在探索如何把结果向生物材料和纳米技术的世界,并期待与其他科学家在这些领域的专业合作。

他已经了解了对称的重要性的教训在建筑胶原蛋白,他认为,可能对其他类型的分子,这可能是纳米技术尤其是信息的影响。并配备了一个更好的方法在实验室中生长的分子,他希望这将有人体健康的应用也一样,即使是在遥远的将来。

“这是一件从未做过的事情。将它有一个最终的应用程序?我希望如此,” tanrikulu说。 “但是这不是科学的工作方式。”

这项工作是由健康的裁决下数r01eb008722,r01hl115553和P30 ar050950国家卫生院资助。

凯利四月泰瑞尔,大学通信