TY  - GEN
TI  - Probing the Mechanics of Protein Materials with Molecular Dynamics Simulations
Y1  - 2011///
UR  - https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/12380/
ID  - heidok12380
KW  - silk 
KW  -  Myomesin 
KW  -  protein material 
KW  -  molecular mechanics 
KW  -  finite element
A1  - Xiao, Senbo
N2  - Mechanische Kraft ist eine wichtige Form des biomechanischen Signals. Ihre Rolle und Wirkung jedoch sind noch unerforscht und der Mechanismus der meisten Kraftsensoren wirft Rätsel auf. Wie widerstehen Biomoleküle wie Proteine hohen mechanischen Kräften? Wie können sie so empfindlich auf eine Änderung der mechanischen Umgebung reagieren? Antworten auf diese Fragen würden neue Türen für die Herstellung von Biomaterialien öffnen. Seide ist ein natürliches Protein. Es erscheint uns als geheimnisvolles Material, ist es doch all seinen industriell hergestellten Pendants mechanisch überlegen. Die Kombination von extrem steifen mit enorm elastischen Untereinheiten führt zu einer ungewöhnlich hohen Zähigkeit, die zu umfangreichen Forschungsaufwand auf dem Gebiet der Seidenmechanik inspiriert. In dieser Arbeit wurde die Mechanik von Seidenproteinen mithilfe von Multiskalen-Modelierung untersucht. Hierzu wurden molekulardynamische Simulationen, die alle Atome betrachten sowie Finite-Elemente-Methoden verwendet. Durch die Kombination dieser beiden Methoden konnten wir einerseits eine hohe Genauigkeit des Modells erhalten, und andererseits das modellierte System trotz des hohen Rechenaufwands ebenso auf der Mikrometerskala betrachten. Mit diesem hybriden Ansatz liefern wir heute den Vorschlag für eine seidene Faserstruktur, die stärker ist, als was uns die Natur liefern kann: Eine serielle Anordnung der steifen kristallinen Untereinheiten in einer weichen, amorphen Peptid-Matrix ist der gemeinhin angenommen zufälligen Anordnung, die als die natürliche gilt, Überlegen. Protein beta-Faltblatt-Kristalle mit kleiner Querschnittsfläche und erhöhter beta-Strang Länge stärken die Faserstruktur. Wir gehen davon aus, dass diese Erkenntnis ebenso auf ähnliche semi-kristalline Materialien wie Polyamide zutrifft. Vorläufige Studien zu dieser Fragestellung wurden im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt.  Auch für Muskeln spielt Kraft eine entscheidende Rolle. Muskel Protein-Fibrillen bilden Netzwerke, welche die mechanische Belastung in lebenden Zellen tragen. Das komplexe Netzwerk aus Muskelproteinen besteht aus Molekülen, die für ihre mechanische Adaptivität magermaßgeschneiderten sind. Das M-Band Protein Myomesin ist eine solche Proteinfaser. In Zusammenarbeit mit Experimentalisten, die uns mit Röntgenstrukturanalysen und Daten aus ihrer Kraft-Spektroskopie unterstützten, untersuchten wir, wie Myomesin in molekular-dynamischen Simulationen auf Krafteinwirkungen reagiert. Myomesin besteht aus langen alpha-Helices die zwischen starren Domänen lokalisiert sind. Unsere Analysen zeigen, dass diese als Stamm-Absorber im Muskelkontraktionszyklus fungieren. Des weiteren enthält Myomesin eine Kraft resistente Dimerisierungs-Schnittstelle. Diese erhält die Stabilität des Fibrillen-Netzwerks im M-Band der Kraft generierenden Einheit im Muskel. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf zwei biologischen Systemen: Seide und Myomesin. Ziel war, deren mechanische Funktion zu verstehen. Mit Hilfe mo-dernster Techniken wie molekular-dynamischen Simulationen, Kraftvertei-lungsanalyse und Finite Elemente Methoden konnten wir zeigen, dass die Natur diese beiden Proteine in Hinsicht auf ihre mechanischen Eigenschaften optimiert hat. Diese beiden Proteine teilen ihr Aufbauschema: Beide Struk-turen werden vom beta-Faltblatt dominiert, das sich entlang der Zugrichtung ausrichtet, um seine mechanische Stabilität zu erreichen. Unser theore-tischer Ansatz bildet einen Grundstein für weitere Untersuchungen, die die Rolle von Kraft in Biosystemen analysieren. Er kann als Leitlinie für neue Experimente auf diese und ähnliche Protein-Systeme dienen. Wie wir für Seidenfasern zeigen konnten, lässt sich der rechnerische Ansatz bei er Gestaltung natürlicher oder künstlicher nanostrukturierter Materialien utzen. 
AV  - public
ER  -