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. i2u15ui
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.