Biomechanik

Wie biologische Materie mechanische Kräfte erzeugt, überträgt und darauf reagiert – von den molekularen Motoren, die Bewegung erzeugen, bis zu den elastischen Netzwerken, die Zellen und Geweben ihre Form geben.

Definition

Biomechanik ist die Untersuchung, wie biologische Systeme mechanische Kräfte und Verformungen erzeugen, übertragen und darauf reagieren, von einzelnen Molekülen bis hin zu Geweben.

Scope

Dieser Bereich umfasst die Mechanik lebender Materie auf molekularer, zellulärer und Gewebeebene: die elastischen und viskoelastischen Eigenschaften von Zellen und Geweben, die Mechanik des Zytoskeletts, die Krafterzeugung durch molekulare Motoren und die Umwandlung mechanischer Signale in biochemische Reaktionen. Er behandelt biologische Strukturen als mechanische Materialien und Maschinen, während die Fortbewegung ganzer Organismen und die klinische Orthopädie anderen Fachgebieten überlassen werden.

Sub-topics

• Zell- und Gewebemechanik
• Zytoskelett-Mechanik
• Mechanotransduktion
• Molekulare Motoren und Krafterzeugung

Core questions

• Welche mechanischen Eigenschaften charakterisieren Zellen und Gewebe, und wie werden sie gemessen?
• Wie verleiht das Zytoskelett Zellen ihre Steifigkeit und Form?
• Wie wandeln molekulare Motoren chemische Energie in gerichtete Kraft und Bewegung um?
• Wie nehmen Zellen mechanische Kräfte wahr und wandeln sie in biochemische Signale um?

Key theories

Motoren als mechanochemische Zyklen

Molekulare Motoren koppeln einen Zyklus der Nukleotidbindung und -hydrolyse an Konformationsänderungen, die diskrete krafterzeugende Schritte entlang einer Bahn erzeugen, wie direkt für einzelne Myosinmoleküle gemessen.

Zellen als viskoelastische, vorgespannte Materialien

Die Zellmechanik wird durch zytoskelettale Polymernetzwerke unter Spannung bestimmt, deren elastische und viskose Reaktionen, anstatt eines einfachen Festkörpers oder einer Flüssigkeit, festlegen, wie sich Zellen verformen und erholen.

Mechanisms

Die Kraft in Zellen stammt größtenteils von molekularen Motoren, die entlang zytoskelettaler Filamente schreiten, indem sie die ATP-Hydrolyse an Konformationsänderungen koppeln, sowie von der Anordnung und Kontraktion von Filamentnetzwerken. Diese Netzwerke verhalten sich als viskoelastische, oft vorgespannte Materialien, sodass Zellen und Gewebe auf Verformung sowohl mit elastischem Rückprall als auch mit viskosem Fluss reagieren. Mechanische Signale werden nicht nur übertragen, sondern auch wahrgenommen: Kraftsensitive Moleküle ändern unter Belastung ihre Konformation, wodurch Mechanik in Chemie umgewandelt wird und eine Rückkopplung auf die Strukturen erfolgt, die die Last tragen.

Clinical relevance

Mechanische Eigenschaften und Krafterkennung beeinflussen Entwicklung, Wundheilung, Herz-Kreislauf-Funktion und Krebsentwicklung, daher dient die hier behandelte Biomechanik als Bildungsgrundlage für Mechanobiologie und Physiologie und nicht als klinische Empfehlung.

History

Die Kontinuumsbiomechanik von Geweben, die unter anderem von Fung vorangetrieben wurde, wurde im späten zwanzigsten Jahrhundert durch die Einzelmolekülmechanik – beispielhaft durch die direkte Messung von Myosinschritten – und durch die Erkenntnis ergänzt, dass Zellen aktiv Kräfte wahrnehmen, wodurch molekulare und Gewebeebenen in der modernen Mechanobiologie vereint wurden.

Key figures

• Jonathon Howard
• James Spudich
• Donald Ingber
• Y. C. Fung

Seminal works

• finer1994
• howard2001
• boal2012

Frequently asked questions

Ist eine Zelle eher ein Festkörper oder eine Flüssigkeit?

Weder noch allein; Zellen sind viskoelastisch, verhalten sich über kurze Zeiträume elastisch und fließen über längere Zeiträume, da ihre zytoskelettalen Netzwerke elastische und viskose Reaktionen kombinieren.

Woher kommt die Kraft in Zellen?

Größtenteils von molekularen Motoren, die die chemische Energie von ATP in mechanische Schritte entlang zytoskelettaler Filamente umwandeln, und von der Anordnung und Kontraktion dieser Filamentnetzwerke.