| Referate | Director web | Adauga link | Contact |



Teoria tensegritatii si implicatiile ei




Cuvinte cheie: tensegritate, mecanotransductie, citoschelet



       Tensegritate (tensegrity) este un cuvant prescurtat provenind de la integritate tensionala (tensional integrity). Structurile de tensegritate sunt stabile datorita modului in care solicitarile mecanice sunt distribuite pe intreaga suprafata a lor. Exista doua tipuri de astfel de structuri.


Primul tip de structuri este reprezentat de domurile geodezice ale lui Buckminster Fuller. Acestea sunt in principal cadre alcatuite din bare rigide (rezistente atat la tensiune cat si la compresiune), conectate intr-o serie de triunghiuri, pentagoane sau hexagoane. Aceste bare sunt orientate intr-o asemenea maniera incat fiecare conexiune este fortata intr-o pozitie fixa, asigurand astfel stabilitatea intregii structuri.



Al doilea tip de astfel de structuri se stabilizeaza printr-un fenomen numit prestres. In aceasta stuctura, elementele care suporta tensiunea (fire elastice) sunt diferite de cele care sunt solictate prin presiune (bare rigide). Astfel, inainte de a se exercita orice forta externa, structura este pre-tensionata. In cadrul structurii, elementele rigide intind, sau tesioneaza firele flexibile, in timp ce acestea din urma comprima barele rigide. Aceste forte opuse, care se echilibreaza reciproc de-a lungul intregii structuri, ii permit acesteia sa se stabilizeze.

       Structurile de tensegritate de ambele tipuri impartasesc o caracteristica comuna majora, aceea ca tensiunea este transmisa in mod continuu prin toate componentele structurale. Cu alte cuvinte, o crestere a tensiunii intr-unul din componente rezulta in creasterea tensiunii in componentele intregii structuri chiar in cele de pe partea opusa. Aceasta crestere globala a tensiunii este echilibrata de o crestere a compresiunii inauntrul unor componente dispersate in cadrul structurii. In acest fel, structura se stabilizeaza printr-un mecanism pe care Fuller l-a descris ca tensiune continua si compresiune locala.

       Principiile tensegritatii se aplica la orice scala detectabila a organismului uman, dar cel mai interesant este nivelul celular. Dupa cum se stie, citoscheletul (CSK) contine microfilamente de actina si miozina, microtubuli si filamente intermediare. In interiorul celulei, o retea fina de microfilamente contractile se extinde de-a lungul integii celule, exercitand tensiune. Cu alte cuvinte, trage membrana si constituentii interni ai celulei catre nucleu. Opunandu-se acestei forte exista doua mari tipuri de elemente de compresiune, dintre care una inauntrul si alta inafara celulei. Cea dinafara este exercitata de matricea extrcelulara (MEC) si cea dinauntru este exercitata fie de microtubuli fie de manunchiuri largi de filamente interconectate. Al treilea element este reprezentat de filamentele intermediare, care joaca un rol important in integrare, conectand microtubulii si microfilamentele intre ele, precum si cu membrana de suprafata si nucleul celulei. In acelasi timp, ele joaca rolul de cabluri de siguranta, intarind si ancorand pozitia nucleului.

       Este cunoscut faptul ca celulele izolate manifesta comportamente diferite pe suprafete diferite. Ele se intind si se turtesc cand sunt atasate la un vas rigid de plastic sau sticla. A fost de asemenea demonstrat ca, atunci cand sunt fixate de un substrat flexibil de cauciuc, celulele se rotunjesc spre o forma mai sferica.

       Modelul de tensegritate sugereaza ca structura citoscheletala a celulei poate fi schimbata prin modificarea fortelor care sunt transmise catre suprafata membranei. Acest lucru este important, deoarece multe enzime si alte substante care controleaza sinteza proteica, conversia energiei si cresterea in celula sunt imobilizate fizic in citoschelet.

       Dezvoltarea tesuturilor functionale necesita atat factori de crestere solubili cat si proteine de ancorare celulara insolubile care sunt cunoscute ca molecule ale MEC. Acestea sunt factorii de reglare dominanti deoarece dicteaza daca celulele individuale vor prolifera, se vor diferentia sau vor involua ca raspuns la stimulii solubili.

       Mecanotransductia (transformarea stimulilor mecanici in stimuli chimici) poate fi mediata simultan in mai multe locatii prin rearanjari citoscheletale induse de forte care determina redistributii ale elementelor asociate cu procesele metabolice ale celulei. Multe din moleculele purtatoare de semnale care sunt sensibile la legarea de MEC sunt imobilizate pe filamente ale CSK care formeaza scheletul complexului de adeziune focala al celulei.

       Folosind o tehnica speciala, profesorul Donald Ingber a reusit sa aplice o forta selectiva (stres de forfecare) direct pe receptorii de suprafata ai unei celule. El a demonstrat ca aplicarea stresului de forfecare pe receptorii de integrina ai membranei a determinat o crestere a rigiditatii CSK dependenta de forta. Asa cum prevedea modelul de tensegritate, acest raspuns a fost mediat de un nivel mai inalt de interactiuni structurale intre diferite sisteme de microfilamente ale CSK. Dar cel mai interesant rezultat a fost acela ca forma raspunsului era liniara: rigiditatea mecanica a CSK a crescut direct proportional cu cresterea fortei aplicate.


Desi modelul de tensegritate a prezis o multitudine de comportamente celulare, ramanea inca de explicat o problema. Multe celule se pot aplatiza fara sa aiba microtubuli cele mai importante elemente de compresiune. Daca celulele vii se pot modifica dintr-o forma sferica intr-una plata fara aceste elemente, cum se mai poate aplica tensegritatea? S-a descoperit ca insasi reteaua de microfilamente este o structura tensegrala. In cadrul citoscheletului unei celule vii, microfilamentele contractile formeaza o latice (retea) care se reorganizeaza local in forme variate cum ar fi manunchiuri largi, matrici sau triunghiuri. De aceea, acest tip particular de organizare este intalnit la nivel molecular.

       In afara de importanta sa conceptuala, modelul tensegritatii are aplicatii multiple, fiind folosit in abordari variate ale biologiei celulare, bioingineriei, arhitecturii si biomecanicii, atat pentru a imbunatati cultura celulara si aplicatiile sale rezultante, cat si pentru a deschide drumul catre o tehnologie mai complexa a ingineriei tisulare.





Biografie :

1. Donald E. Ingber - The Architecture of Life, Scientific American, ianuarie 1998
2. Donald E. Ingber et al - Cellular Tensegrity and Mechanochemical Transduction, Annual Reviews of Physiology, 1997, 19:329-339


Imagini preluate de la : prima, Rodrigo A. Siqueira; a doua, Chris Rywalt; a treia,  Cornell University Science News