Biomekanika

Bagaimana materi biologis menghasilkan, mentransmisikan, dan merespons gaya mekanis—mulai dari motor molekuler yang menghasilkan gerakan hingga jaringan elastis yang memberikan bentuk pada sel dan jaringan.

Definition

Biomekanika adalah studi tentang bagaimana sistem biologis menghasilkan, mentransmisikan, dan merespons gaya dan deformasi mekanis, dari molekul tunggal hingga jaringan.

Scope

Area ini mencakup mekanika materi hidup pada skala molekuler, seluler, dan jaringan: sifat elastis dan viskoelastis sel dan jaringan, mekanika sitoskeleton, pembangkitan gaya oleh motor molekuler, dan konversi sinyal mekanis menjadi respons biokimia. Ini memperlakukan struktur biologis sebagai bahan dan mesin mekanis, sementara lokomosi seluruh organisme dan ortopedi klinis diserahkan kepada bidang lain.

Sub-topics

• Cell and Tissue Mechanics
• Cytoskeletal Mechanics
• Mechanotransduction
• Molecular Motors and Force Generation

Core questions

• Sifat mekanis apa yang menjadi ciri sel dan jaringan, dan bagaimana cara mengukurnya?
• Bagaimana sitoskeleton memberikan kekakuan dan bentuk pada sel?
• Bagaimana motor molekuler mengubah energi kimia menjadi gaya dan gerakan terarah?
• Bagaimana sel merasakan gaya mekanis dan mengubahnya menjadi sinyal biokimia?

Key theories

Motor sebagai siklus mekanokimia

Motor molekuler menggabungkan siklus pengikatan dan hidrolisis nukleotida dengan perubahan konformasi yang menghasilkan langkah-langkah penghasil gaya diskrit di sepanjang jalur, sebagaimana diukur secara langsung untuk molekul miosin tunggal.

Sel sebagai bahan viskoelastis, prategang

Mekanika seluler diatur oleh jaringan polimer sitoskeletal di bawah tegangan yang respons elastis dan viskosnya, daripada padatan atau cairan sederhana, menentukan bagaimana sel berubah bentuk dan pulih.

Mechanisms

Gaya dalam sel sebagian besar berasal dari motor molekuler yang bergerak di sepanjang filamen sitoskeletal dengan menggabungkan hidrolisis ATP dengan perubahan konformasi, dan dari perakitan serta kontraksi jaringan filamen. Jaringan-jaringan ini berperilaku sebagai bahan viskoelastis, seringkali prategang, sehingga sel dan jaringan merespons deformasi dengan rekoil elastis dan aliran kental. Sinyal mekanis tidak hanya ditransmisikan tetapi juga dirasakan: molekul yang sensitif terhadap gaya mengubah konformasi di bawah beban, mengubah mekanika menjadi kimia dan memberikan umpan balik pada struktur yang menanggung beban.

Clinical relevance

Sifat mekanis dan sensasi gaya memengaruhi perkembangan, penyembuhan luka, fungsi kardiovaskular, dan perkembangan kanker, sehingga biomekanika di sini merupakan latar belakang pendidikan untuk mekanobiologi dan fisiologi daripada rekomendasi klinis.

History

Biomekanika kontinum jaringan, yang dikembangkan oleh Fung dan lainnya, pada akhir abad kedua puluh digabungkan dengan mekanika molekul tunggal—yang dicontohkan oleh pengukuran langsung langkah-langkah miosin—dan oleh pengakuan bahwa sel secara aktif merasakan gaya, menyatukan skala molekuler dan jaringan ke dalam mekanobiologi modern.

Key figures

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

Seminal works

• finer1994
• howard2001
• boal2012

Frequently asked questions

Apakah sel lebih mirip padatan atau cairan?

Tidak keduanya secara tunggal; sel bersifat viskoelastis, berperilaku elastis dalam waktu singkat dan mengalir dalam waktu yang lebih lama, karena jaringan sitoskeletalnya menggabungkan respons elastis dan viskos.

Dari mana asal gaya di dalam sel?

Sebagian besar dari motor molekuler yang mengubah energi kimia ATP menjadi langkah mekanis di sepanjang filamen sitoskeletal, dan dari perakitan serta kontraksi jaringan filamen tersebut.