슬롯 사이트의 수학이 근육 과학에서 70 세의 미스터리를 해결하는 방법
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슬롯 사이트 교수 Sam Walcott 교수는 근육 힘을 설명하고 정확하게 예측하여 의료 혁신을위한 새로운 기회를 제공하는 분자 모델을 개발했습니다..
다가오는 것을 기리기예술 및 과학 주간, 슬롯 사이트는 수학이 의학을 발전시키는 방법을 보여주는 연구를 보여주고 있습니다.
슬롯 사이트 (WPI)에서 개발 된 새로운 수학적 모델은 심장병에 대한 우리의 이해와 치료를 향상시킬 수 있습니다. 만들기피망 슬롯 | 우스터, 생물 정보학 및 계산 생물학의 이사 인이 모델은 개별 분자의 상호 작용을 설명하기 위해 물리학 및 생물학의 원리를 사용하여 근육 세포 내의 미세한 구조가 힘을 생성하는 방법을 시뮬레이션합니다. 또한 분자 수준에서 미묘한 변화가 심각한 심장 상태로 이어질 수있는 방법을 보여줍니다. 이 연구는 차세대 에너지 효율적인 보철물을 알 수 있습니다.
Walcott와 공동 작업Edward (Ned) Debold, UMass Amherst의 운동학 교수 및Walter Herzog, 캘거리 대학교 운동학 교수. 토끼 근육 조직을 사용하여 Debold는 분자-규모 실험을 수행하여 개별 근육 단백질이 다른 조건에서 어떻게 반응하는지 연구하는 반면 Herzog는 전체 근육 세포가 힘을 생성하는 방법을 조사했습니다. 그들의 결합 된 실험은 Walcott가 그의 모델에 사용한 데이터를 제공했습니다.
“우리는 세포의 분자가 상호 작용하는 방식을 설명함으로써 근육 세포가 힘을 생성하는 방법을 설명하는 수학적 모델을 개발했습니다. "예를 들어, 유전자 심장 질환은 종종 심장 근육의 한두 가지 유형의 분자에서 미묘한 변화를 일으키지 만 심장 기능의 과감한 변화를 일으키기 때문에 세포 성과 분자 규모 사이의 연결이 중요합니다.".
Walcott의 연구는 의학의 미래에 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 예를 들어, 근육 수축 연구의 세계에서 비교적 새로운 발견은 두꺼운 필라멘트 활성화이며, 이는 근육 분자에 대한 일종의 "온/오프 스위치"입니다. Walcott의 수학적 모델은이 과정을 설명하고 그것이 근육 기능에 어떤 영향을 줄 수 있는지 제안합니다.
근육을 긴장시키고 스트레칭 할 때 (팔 송수화 경연 대회를 잃기 시작했을 때) 근육은 스트레치없이 더 많은 힘을 생산할 수 있습니다. 마찬가지로, 근육을 긴장시키고 짧게하면 (팔 송수화 경연 대회에서 승리하기 시작한 것처럼) 근육은 힘을 줄일 수 있습니다. 1952 년에 발견 된이 현상은 분자 설명이 부족합니다. 놀랍게도, 힘의 우울증과를 기대할 수 있습니다.
동일한 과정에서 발생하는 향상, 그들 사이에는 차이가 있습니다. 예를 들어, 힘 향상은 증가 된 힘 생성 근육 분자와 관련이 없지만 힘 우울증은 분자의 감소와 관련이 있습니다.
힘 향상이 어떻게 발생하는지에 대한 주요 아이디어는 근육을 활성화 할 때 분자 "스프링"이 관여한다는 것입니다. 그런 다음 근육이 늘어나면 스프링이 늘어나서 근육의 힘 생성 분자 외에 약간의 힘을 생성합니다. Walcott와 그의 협력자들은 근육이 단축되면 봄이 수축 할 것을 제안했습니다. 이것은 근육의 힘을 감소시킵니다. 두꺼운 필라멘트 활성화는 힘이 떨어질 때 힘 생성 분자가 "끄기"를 제안하므로 힘의 감소는 힘 생성 분자의 수를 감소시킨다. 이것은 강제 우울증에서 관찰 된 힘 감소와 힘 생성 분자의 수가 감소하는 이유를 설명합니다.
원래 Herzog Lab의 세포 실험을 설명하도록 설계된이 모델은 Debold Lab의 분자 규모 실험의 결과를 성공적으로 예측할 수있었습니다. 이것은 실제로 우리가 분자의 행동을 근육 세포의 기능과 연결할 수 있음을 시사합니다.
이러한 발견은 심장병 연구 및 보철물과 같은 의학 및 생체 역학적 디자인의 세계에서 흥미로운 단계입니다. Walcott는“보철을 설계하려면 근육이 어떻게 에너지를 사용하는지 생각해야합니다. 왜냐하면 보철물이 기능적이고 효율적이기를 원하기 때문입니다. "근육 분자가 어떻게 상호 작용하는지 이해한다면, 그들이 에너지 사용 방법과 근육이 전반적으로 에너지를 사용하는 방법을 이해할 수 있습니다."
Walcott의 연구는 A에 의해 뒷받침되었습니다.140 만 달러 보조금NIH 연구소 인 NIGMS (National Institute of General Medical Sciences)에서. 이 프로젝트는 또한 학제 간 초점을 강조합니다.슬롯 사이트의 생물 정보학 및 계산 생물학 프로그램, 학생과 교직원이 수학과 데이터를 사용하여 생물학적 연구의 국경을 탐구합니다.