1. INTRODUCCIÓN La arquitectura de Tensegrity, un sistema del edificio basado en integridad tensional algo que continuidad de compresión, tiene propuesto explicar cómo se construyen las células y los tejidos (Ingber y otros, 1981; Ingber y Jamieson, 1982, 1985; Joshi y otros, 1985; Fulton e Isaacs, 1986; Ingber y Folkman, 1989a). El propósito de este comentario encendido el tensegrity es demostrar cómo esto relativamente simple la teoría puede explicar mucha de la complejidad del patrón y estructure de el cual se observa dentro del citoesqueleto (CSK) células vivas. Una discusión de cómo el tensegrity puede ser utilizado para la tratamiento de la información, transducción mechanochemical y la regulación morfogenética se puede encontrar a otra parte (Ingber y Jamieson, 1985; Ingber y Folkman, 1989a, b; Ryan, 1989; Heidemann y Buxbaum, 1990; Pienta y Coffey, 1991; Hansen e Ingber, 1992; Ingber y otros, 1993). Está bien ahora aceptado que el CSK de células eucarióticas existe como red el entretejer compleja del comandante tres clases de biopolímeros lamentous del fi: el actinia-contener micro- laments del fi (MFs), tubulin-conteniendo los microtubules (MTs), y laments intermedios del fi (IFs) que contienen vimentin, desmin, queratinas o proteínas neuras del lament del fi. La mayoría de los biólogos convenga que las interacciones de la actomiosina dentro de MFs contráctil genere la tensión y ésa de CSK los tres sistemas del lament del fi proporcione una cierta función estructural. Sin embargo, hay no modelo de la organización de CSK que puede explicar cómo estos sistemas del lament del fi se asocian e integran para formar una red “sólida” continua que pueda desformar y moverse. Incluso menos se sabe sobre el mecanismo por el cual cambia en la organización de CSK induzca las alteraciones en estructura nuclear, por ejemplo la extensión física del núcleo que aparece para ser requerido para la progresión del ciclo celular (Yenes y Pardee, 1979; Nicolini y otros, 1986; Ingber y otros, 1987). Como la célula y biólogos moleculares, tendemos “pensamos localmente” mientras que uso de la microscopia del vídeo del tiempo-lapso revela que el CSK “actúa global” en células vivas (Trinkaus, 1985). Por ejemplo, fuerzas de la polimerización de CSK (Tilney y Kallenbach, 1979; Hill, 1981), citoplásmico presiones hidrostáticas (Bereiter-Hahn y Strohmeier, 1987), presiones osmóticas del intragel (Oster y Perelson, 1987), tensión cortical de CSK (Albrecht-Buehler, 1987), producto químico que remodela los acontecimientos (Stossel, 1989), y membrana y ow del fl de la actinia (repasado por Heath y el eld del fi de Holi, 1991) todos se han propuesto para explicar cómo una célula eso ejerce la tensión (centrípeta) hacia adentro-dirigida en sus adherencias extracelulares de la matriz (ECM) (Harris, 1982; Lamoreux y el al., 1989) amplía procesos hacia fuera. Incluso si aceptamos estos modelos como verdades, sigue siendo difícil entender cómo elementos estructurales sólidos que se interconectan físicamente a través de la profundidad de la célula (Wolosewick y portero, 1979; Ben Ze'ev y otros, 1979; Vidente y otros, 1984) funciones como una sola entidad estructural armoniosa y experimenta dinámico cambios en forma. Así, la cuestión de cómo un integrado CSK se construye esencialmente se convierte en uno de arquitectura algo que una de moléculas individuales o aún simple mecánicos. En este comentario, pondré este el remodelado local los fenómenos en el contexto de un modelo arquitectónico global integrado y, de tal modo, proporcionan una base mecánica para el la coordinación entre la parte y entero que es tan característica del CSK. Haré esto usando el paradigma del tensegrity. fi de Speci cally, utilizaré este modelo para demostrar cómo asambleas tridimensionales de CSK que incluyen MFs y MTs así como el IFs y la matriz nuclear puede ser estabilizado y ser integrado estructural. Más importantemente, demuestre que el uso de este sistema del edificio, que es independiente de la escala, nos permite a las reglas básicas de de fi ne de interconversión geométrica en tres dimensiones que predigan muchos adornos estructurales de los cuales se observan dentro del CSK células vivas. Una de las implicaciones de este modelo para el biólogo de célula es que pueden los cambios en forma y movilidad de la célula resulte del “moldeado de la tensión” y del remodelado químico de un continuo, enrejado molecular “pretensado” (los CSK) algo que solamente de la adición y de la substracción locales de piezas individuales. En base de la observación de la cual uso el tensegrity por las células no es un caso especial, yo también el fl y del brie Diario de la ciencia 104, 613-627 (1993) 613 de la célula Impreso en el © de Gran Bretaña la compañía de biólogos limitó 1993 COMENTARIO Tensegrity celular: de fi ning las nuevas reglas de diseño biológico que gobiernan citoesqueleto Donald E. Ingber* Departamentos de & de la patología; Cirugía, hospital de niños y Facultad de Medicina de Harvard, Boston, mA 02115, los E.E.U.U. *Address para la correspondencia: Investigación de Enders 1007-Surgical, avenida de 300 Longwood, Boston, mA 02115, los E.E.U.U. Palabras claves: laments micro del fi de la actinia, microtubules, intermedios laments del fi, matriz nuclear, mecánico de la célula<br />LAS REGLAS DE BASIC DE TENSEGRITY Mi propia introducción al tensegrity (integridad tensional) la arquitectura vino en 1975 en que era estudiante estudiante en la universidad de Yale que estudia diseño tridimensional en un curso de la escultura del mismo nombre. El instructor (Erwin Hauer) vino en un día con una escultura intrigante que fue construida a partir de seis puntales (pasadores de madera) eso no se tocó; algo, fueron levantados y ábrase en una esfera aproximada con la interconexión con una serie continua de elementos de la tensión (elástico cuerda). Un modelo similar se demuestra en fig. 1. importantemente, cuando empujado de antedicho o anclado de debajo, este fl de la estructura attened y se separó espontáneamente hacia fuera en a manera coordinada sin el cambio de relaciones topológicas entre sus diversos elementos estructurales, es decir fuera interrupción de su integridad estructural (fig. 1B). Cuando la fuerza de dilatación fue quitada, la estructura espontáneamente tirado y, saltado literalmente para arriba de la superficie a cuál había sido anclada. También realicé que si se anclara esta estructura en los puntos múltiples a un maleable substrato, contraería, tira espontáneamente de sus accesorios juntos y por lo tanto, comprima la fundación subyacente en los dobleces (fig. 1C). Esta estructura me intrigó porque estaba virtualmente en el mismo tiempo que se convirtió el rst del fi de I introdujo al cultivo celular. A mí, las células de vida actuaban de una manera casi idéntica; ellas el fl attened cuando estaba atado a los platos plásticos altamente adhesivos (Folkman y Moscona, 1978), separado y redondeado cuando sus anclas del ECM fueron quitadas enzimático (Revel y el al., 1974), los substratos elásticos físicamente tirados en la “compresión arruga” (Harris y otros, el an o 80), y espontáneamente el ECM maleable contratante se gelifica (Emerman y Pitelka, 1977). Así, asumí inmediatamente que las células utilizan la arquitectura del tensegrity para su organización (Ingber y otros, 1981). Pronto aprendí que esto no era una creencia aceptada. El concepto de arquitectura del tensegrity fue iniciado cerca el inventor/el arquitecto, Buckminster más lleno, aunque el rst del fi el modelo del tensegrity fue construido por su estudiante, el escultor Kenneth Snelson (Fuller, 1961; Edmondson, 1987). Las esculturas de Tensegrity se soportan y se abren interconectando una serie continua de elementos de la tensión (e.g. secuencia elástico, alambres finos) con una serie discontinua de puntales compresión-resistentes (e.g. palillos de madera, vigas de acero). Estas estructuras son, por el nition de de fi, independiente de la gravedad considerando que estructuras compresión-resistentes (e.g. un ladrillo la casa) desestabilizaría y adaptaría aparte la ausencia de fuerza gravitacional. Las estructuras de Tensegrity están particularmente novela porque la tensión hacia adentro-dirigida puede incluso estabilizarse formas altamente alargadas (Fuller, 1961). Importantemente, los elementos de la tensión en estructuras del tensegrity no tienen que ser las secuencias elásticos o los alambres finos. Algo, éstos los tipos de materiales de construcción se utilizan en modelos y esculturas para visualizar el patrón de las fuerzas que se sostienen estructuras junto. De hecho, los componentes del edificio adentro estas estructuras son a menudo capaces de apoyar cargas extensibles y compresivas (e.g. el metal apuntala en geodésico bóvedas). Sin embargo, son estructuras del tensegrity porque los elementos individuales necesitan solamente apoyar uno o el otro localmente. De hecho, era estudiando cómo las fuerzas se distribuyen a través de bóvedas geodésicas que un rst más completo del fi descubrió concepto de tensegrity (Fuller, 1961; Edmondson, 1987). Él encontrado que él podría demostrar que la continuidad de compresión no fue requerida para la estabilidad de estructuras geodésicas substituyendo ciertos elementos rígidos por los alambres finos eso puede soportar solamente la tensión. Esto dio lugar a la construcción de estructuras con los patrones geodésicos casi idénticos; sin embargo, los puntales rígidos no tocaron uno otro; algo, ellos D.E. Ingber Fig. 1. modelos de Tensegrity construidos del aplicador de madera palillos y secuencia elástico. El modelo de la “célula” aparece alrededor cuándo (a) independiente, extensiones en un substrato rígido (b), y contrae y redondea espontáneamente en un tensegrity maleable 615 de la fundación (C).Cellular existido como fl aislado de las islas oating en un mar de la tensión. Esto es esencialmente qué distingue arquitectura del tensegrity de otros. En el nivel molecular, los efectos de la gravedad son insignificantes concerniente a las interacciones locales de la fuerza (Albrecht-Buehler, 1990). los experimentos Vuelo-basados con el rm del fi que las células (y los astronautas) mantenga su integridad estructural y funcional en un ambiente de la microgravedad. Así, edificio compresión-dependiente los sistemas no se pueden utilizar por las células. En cambio, tensegrity los arreglos se podían utilizar fácilmente para estabilizar las estructuras moleculares complejas, tales como el CSK, dado eso las células de vida se saben para generar la tensión interna. Como describí arriba, el tensegrity simple modela (la fig. 1) predice eso las células de vida debe adherirse a las superficies que pueden resistir la compresión en orden para separarse. Además, cuando una célula nucleated más grande modela fueron construidos estableciendo integridad tensional en medio una esfera geodésica más pequeña del tensegrity y la superficie de la “célula” (Ingber y Jamieson, 1985), coordinación entre la célula y la extensión nuclear fue observada (fig. 2). Este comportamiento de cerca imitadores que visto en células vivas crió en el ECM (Ingber y otros, 1987; Ingber, 1990). Además, el núcleo del tensegrity tendido para polarizar y para moverse a la base de la célula, otra vez una característica que las células exhiben a cuando atan ECM (Ingber y otros, 1986). Un punto adicional traído el hogar por éstos que modelan estudios es que los sitios focales de la adherencia de la célula, junto con el ECM de intervención, se deben ver como las partes integrantes de “ampliaron CSK”. proteínas Actinia-asociadas (e.g. talin, vinculin, a-actinin) y transmembrana Los receptores del ECM (e.g. integrins) forman el puente molecular ese liga MFs y el ECM (Burridge y otros, 1988) y las ayudas fuerzan la transmisión (Lotz y otros, 1989; Ingber, 1991; Wang y otros, 1992) en células vivas.<br />TENSEGRITY CELULAR Presenté originalmente las estructuras del tensegrity como “conceptuales” modelos de la arquitectura de la célula (Ingber y Jamieson, 1985) porque tenían solamente un número limitado de elementos estructurales mientras que es vivo las células pueden tener millares, si no más. También utilicé el hilo de rosca elástico como manera de modelar los elementos de la tensión que pueden experimentar la extensión y el acortamiento vía mecanismos químicos. Estos modelos simplistas tienen por lo tanto creó un problema para algunos que quieren saber, “si son las células las estructuras del tensegrity, entonces donde están los puntales compressionresistant enormes nosotros consideran en sus modelos?”. Aunque sea grande los puntales compresión-resistentes de hecho existen en ciertas células especializadas (Wellings y Tucker, 1979; Mogensen y Tucker, 1988; Lloyd y Seagull, 1985; Heidemann y Buxbaum, 1990), quisiera ahora explicar en mayor detalle cómo la arquitectura del tensegrity puede aplicarse a toda la vida células. El enrejado micro del lament del fi de la actinia se comporta como si él depende de integridad tensional Se sabe que la interrupción de MTs no previene el accesorio o la extensión en muchas células (Domnina y otros, 1985; Vasiliev, 1987; Middleton y otros, 1988) aunque él también produce SI contracción (Blose y otros, 1984; Hollenbeck y al., 1989). Este fi nding sugiere que el enrejado de la frecuencia intermedia de la actinia solamente es suficiente apoyar muchos cambios en forma de la célula. ¿Tan cómo podía el tensegrity estar implicado? La respuesta es simple. Una célula que ejerce la tensión centrípeta en focal localizada las adherencias pueden ser de fi ned como estructura del tensegrity porque si no la tensión continua de CSK es resistida localmente por la ISO - regiones lated del ECM compresión-resistente subyacente; la continuidad de compresión interna no se observa. Para esto la razón, las células animales y de la planta requiere un accesorio substrato que puede resistir la compresión local para desforme (Folkman y Moscona, 1978; Emerman y Pitelka, 1977; Ingber y Jamieson, 1985; Harris y otros, 1990; Hahne y Hoffman, 1984; Ingber y Folkman, 1989b; Opas, 1989; Ingber, 1990). Importantemente, el tensegrity se puede también utilizar en el nivel molecular, puesto que el único requisito de una red del tensegrity es que la tensión es continua y la compresión es local. Para exploremos esta posibilidad, asumen para un momento que la actinia CSK es una red continua del tensegrity eso se compone de MFs eso que ambos se acortan (genere la tensión) y varíe localmente en términos de su exibility relativo del fl (compresión-resistencia), dependiendo de variaciones en la densidad de la formación del puente cruzado con las proteínas actinia-asociadas (e.g. a-actinin, miosina, tropomiosina). Si podemos construir los modelos tridimensionales que incorporan estas características, entonces podemos probar si la hipótesis del tensegrity predice los cambios en CSK estructuran que se observen en células vivas. Como se muestra por un aumento más completo, tensión-dependiente de las estructuras su estabilidad “triangulating” sus elementos internos de la ayuda y, así, balanceando vectores de la fuerza en el patrón adentro cuál él se distribuye naturalmente en el espacio (Fuller, 1965; Edmondson, 1987). Estructuras de Tensegrity se componen que de los puntales semirrígidos múltiples que están bajo tensión continua y son interconectados por relativamente los empalmes exible del fl pueden ser construido simplemente usando la paja de la soda y el hilo de rosca el elástico (Fig. 3). Estas estructuras trianguladas exhiben espontáneamente naturalmente formas “isotrópicas”; sin embargo, diferencian en su tamaño y grado de compactación. Algunas de estas estructuras sea autosuficiente (fig. 3A, C) mientras que otros deben ser sostenidos ábrase por las fuerzas externas (fig. 3B). Los medios más económicos y más estables del embalaje apretado en tres dimensiones se demuestra en fig. 3A; las cimas de esto el enrejado se puede pensar en como los centros de embalado de cerca esferas (Fuller, 1965). Este arsenal fue llamado un “isotrópico matriz del vector” por más lleno (también se conoce como “octeto braguero quot;
) porque distribuye la fuerza igualmente en todas las direcciones y por lo tanto, la suma de todos los vectores de la fuerza es cero. Este sistema de la construcción se utiliza en muchos edificios porque resiste compresión externa usando un mínimo de materiales (Edmondson, 1987). Al mismo tiempo, se incorpora a menudo en los diseños para las “plataformas de espacio” que funcionarán en un ambiente de la microgravedad porque su estabilidad y alto resultado portador de las calidades de una distribución triangulada de fuerzas extensibles internas y no de la compresión externa. Una de las calidades más nuevas del sistema del edificio del tensegrity es ésa inestable, enrejados isotrópicos libremente llenos (Fig. 3B) sea intrínsecamente intercambiable con más estable estructuras firmemente cally llenas, tetrahedra del fi del speci (fig. 3C; Fuller, 1979; Edmondson, 1987). Este tetrahedra, alternadamente, represente los bloques huecos básicos del altamente estable, matriz isotrópica del vector (fig. 3A). Importantemente, esta transformación geométrica ocurre sin la alteración de espacial local relaciones entre diversos elementos estructurales y, así, sin la integridad tensional perdidosa (fig. 4). Además, el mismo enrejado isotrópico flojo (fig. 3B) puede remodelar espontáneamente en un arreglo linear del paquete, si la tensión es aplicada a lo largo de un solo eje (fig. 5). ¿Qué sobre las células vivas? Es rst del fi importante acentuar que las células contienen a altamente - enrejado interconectado de la frecuencia intermedia incluso cuando es redondo y libere del ancladero (Ben Ze'ev y otros, 1979; Heuser y Kirschner, el an o 80). También pueden cambiar forma completamente de la extensión a redondo sin la alteración de la frecuencia intermedia numere (Revel y otros, 1974) o la cantidad total de actina F (Bereiter-Hahn y otros, 1990). Así, cualquie sistema del edificio eso las células utilizan deben explicar cómo un enrejado esférico intacto de CSK puede remodelar rápidamente en una forma y un vicio altamente extendidos versa. Análisis de microscopio electrónico de tridimensional la organización del citoesqueleto es siempre algo limitada, puesto que sus resultados se presentan como de dos dimensiones imágenes proyectadas. Sin embargo, estos estudios constantemente represente la red de la frecuencia intermedia de no-separan las células como libremente embalado e isotrópico (Heuser y Kirschner, el an o 80; Schliwa y Van Blerkom, 1981). Isotrópico no significa al azar, indica algo una carencia de la asimetría. De hecho, individual MFs dentro de las regiones flojas del enrejado aparece a menudo intersecarse a los ángulos de 90 o y 120 o Éstos son los mismos ángulos. eso domina los modelos triangulados del tensegrity. Así, déjenos considere qué sucedería si el arreglo libremente lleno del tensegrity demostrado en fig. 3B representó un básico unidad de repetición en el enrejado isotrópico de la frecuencia intermedia de una célula redonda. Una vez los contactos de célula un substrato rígido del ECM, célula local las interacciones obligatorias del receptor superficial conducen el fl de la membrana attening hasta que sean balanceadas resistiendo las fuerzas causadas por CSK el atiesarse. Las células han desarrollado al parecer un mecanismo a supere este equilibrio formando mecánicamente el establo<br />