الميكانيكا الحيوية
كيف تُولّد المادة البيولوجية القوة الميكانيكية وتنقلها وتستجيب لها—من المحركات الجزيئية التي تُنتج الحركة إلى الشبكات المرنة التي تمنح الخلايا والأنسجة شكلها.
Definition
الميكانيكا الحيوية هي دراسة كيفية إنتاج الأنظمة البيولوجية للقوى والتشوهات الميكانيكية ونقلها والاستجابة لها، من الجزيئات المفردة إلى الأنسجة.
Scope
يغطي هذا المجال ميكانيكا المادة الحية على المستويات الجزيئية والخلوية والنسيجية: الخصائص المرنة واللزجة المرنة للخلايا والأنسجة، وميكانيكا الهيكل الخلوي، وتوليد القوة بواسطة المحركات الجزيئية، وتحويل الإشارات الميكانيكية إلى استجابات كيميائية حيوية. يتعامل هذا المجال مع التراكيب البيولوجية كمواد وآلات ميكانيكية، بينما يترك حركة الكائن الحي بأكمله وجراحة العظام السريرية لمجالات أخرى.
Sub-topics
Core questions
- ما هي الخصائص الميكانيكية التي تميز الخلايا والأنسجة، وكيف تُقاس؟
- كيف يمنح الهيكل الخلوي الخلايا صلابتها وشكلها؟
- كيف تحول المحركات الجزيئية الطاقة الكيميائية إلى قوة وحركة موجهة؟
- كيف تستشعر الخلايا القوة الميكانيكية وتحولها إلى إشارات كيميائية حيوية؟
Key theories
- المحركات كدورات ميكانيكية كيميائية
- تربط المحركات الجزيئية دورة من ارتباط النيوكليوتيدات والتحلل المائي بالتغيرات الشكلية التي تنتج خطوات منفصلة لتوليد القوة على طول مسار، كما تم قياسه مباشرة لجزيئات الميوسين المفردة.
- الخلايا كمواد لزجة مرنة ومجهدة مسبقًا
- تتحكم في ميكانيكا الخلية شبكات بوليمرية هيكلية خلوية تحت توتر، حيث تحدد استجاباتها المرنة واللزجة، بدلاً من كونها مجرد مادة صلبة أو سائلة، كيفية تشوه الخلايا وتعافيها.
Mechanisms
تنشأ القوة في الخلايا إلى حد كبير من المحركات الجزيئية التي تتحرك على طول خيوط الهيكل الخلوي عن طريق ربط التحلل المائي للأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) بالتغير الشكلي، ومن تجميع وتقلص شبكات الخيوط. تتصرف هذه الشبكات كمواد لزجة مرنة، وغالبًا ما تكون مجهدة مسبقًا، لذا تستجيب الخلايا والأنسجة للتشوه بكل من الارتداد المرن والتدفق اللزج. لا يتم نقل الإشارات الميكانيكية فحسب، بل يتم استشعارها أيضًا: تتغير الجزيئات الحساسة للقوة شكليًا تحت الحمل، محولة الميكانيكا إلى كيمياء وتؤثر على التراكيب التي تحمل الحمل.
Clinical relevance
تؤثر الخصائص الميكانيكية واستشعار القوة على التطور، والتئام الجروح، ووظيفة القلب والأوعية الدموية، وتطور السرطان، لذا فإن الميكانيكا الحيوية هنا هي خلفية تعليمية للميكانيكا الحيوية الفسيولوجية (mechanobiology and physiology) وليست توصية سريرية.
History
انضمت ميكانيكا الأنسجة المستمرة (Continuum biomechanics of tissues)، التي طورها فونغ (Fung) وآخرون، في أواخر القرن العشرين إلى ميكانيكا الجزيئات المفردة (single-molecule mechanics)—التي تجلت في القياس المباشر لخطوات الميوسين (myosin)—وإلى إدراك أن الخلايا تستشعر القوة بنشاط، موحدة المستويات الجزيئية والنسيجية في الميكانيكا الحيوية الحديثة (modern mechanobiology).
Key figures
- Jonathon Howard
- James Spudich
- Donald Ingber
- Y. C. Fung
Related topics
Seminal works
- finer1994
- howard2001
- boal2012
Frequently asked questions
- هل الخلية تشبه المادة الصلبة أم السائلة أكثر؟
- لا هذا ولا ذاك وحده؛ فالخلايا لزجة مرنة، تتصرف بمرونة على المدى القصير وتتدفق على المدى الطويل، لأن شبكاتها الهيكلية الخلوية تجمع بين الاستجابات المرنة واللزجة.
- من أين تأتي القوة داخل الخلايا؟
- تأتي إلى حد كبير من المحركات الجزيئية التي تحول الطاقة الكيميائية للأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) إلى خطوات ميكانيكية على طول خيوط الهيكل الخلوي، ومن تجميع وتقلص شبكات تلك الخيوط.