虽然生物学和医学的大部分重点是基因和化学物质在生命系统的形成和控制中发挥的关键作用，但组成这些系统的组成部分的空间布局和它们所经历的物理力量正日益被认为同样重要。唐纳德Ingber,医学博士Wyss研究所的博士,创始董事在哈佛大学,开始调查这在三十五年前的生活“架构”，自然,发现使用一个架构原则称为“张拉整体结构”(简称“紧张的完整性”)稳定活细胞的形状和决定他们如何应对机械部队。张拉整体结构包括处于紧张状态或压缩状态的元素，而这些相互作用的力量之间的平衡使得这种结构能够在等距张力状态下稳定下来，就像我们身体中的肌肉和骨骼一样。
最简单的张拉整体结构之一-三根刚性棒（蓝色）通过柔性串（黑色）保持稳定的构象-也可以作为蛋白质结构的模型，其中分子（红色和蓝色）的复杂排列作为杆通过接近柔性线的氢键保持在“预应力”状态。图片信息及版权：WyssInstituteatHarvardUniversity
这种内部的张力或“预应力”使整个结构能够承受外力的压力，以一种可控的方式变形，当应力消除时，它会自发地恢复到原来的形状。tensegrity决定了活细胞的形状和组织结构最初是有争议的，但由于多个系统的实验验证，随着时间的推移，它获得了更大的接受。Tensegrity也可以是分等级的，因为每一个结构元素本身都可以是一个更小的张拉整体结构，在局部和全球都保持着张性的完整性。根据这些特性Ingber还在年的一篇“科学美国人”文章中提出，tensegrity可以应用于细胞水平以外的所有生命的大小尺度，从原子到整个生物体。Ingber和其他人最近的研究为这一假设提供了实验支持，证明了张拉整体被用于细胞核、细胞骨架元素和单个分子的尺度。
然而，研究在复杂的层次结构中，在形状和形态(如酶和其他蛋白质)发生巨大变化的过程中，张拉整体的功能是有挑战性的，部分原因是现有的生物建模方法的局限性。使用新开发的多尺度建模方法,因格贝尔(他也是JudahFolkman血管生物学教授哈佛医学院和血管生物学医院,生物工程教授和哈佛大学的约翰·a·保尔森工程和应用科学学院)和Wyss职员科学家查尔斯·赖利已经成功地证明了张拉整体结构原则是使用在各种水平的活细胞内规模和结构复杂性。他们的研究还揭示了在分子形状上的张紧性的变化是如何驱动细胞部分的运动的。这一研究报告在《极端力学》上发表，进一步阐明了张拉整体的重要性，这是生物学的一个基本原则。
该团队的新的计算建模方法采用了一个整体的视图，将每个模型作为一系列的数学操作来处理，这些操作可以根据不同的输入而动态变化，而不是静态数据点的集合。我们的方法和其他建模方法之间的差别有点像使用Excel电子表格的不同方法。如果你手动将一堆数据放入电子表格中，然后改变一个单元格的内容，它就不会更新周围的其他单元格。但是，如果您使用一个公式并通过该公式提供任何数据更改，它会自动更新电子表格中的所有单元格。这就是我们所做的，但是对于生物分子的多尺度模型和不同大小和复杂性的系统。
这个策略也称为“过程建模,使来自不同尺度大小和格式的数据集成到一个多尺度模型,建立同时从自底向上和自顶向下的,而不是从离散数据集,每个模型的描述只有一个方面,试图调和。在最近出版的ACSNano中，Reilly和Ingber开发了这种方法，将计算机动画软件与娱乐行业的方法结合起来，采用了生物研究中常用的严格的分子动力学仿真工具。他们利用这种新颖的模拟方法建立了一个精子细胞模型，该模型展示了从个体的dynein蛋白分子到整个细胞的细胞运动，使他们能够观察到原子水平的变化是如何在更大的结构中反映出来的。他们还利用这一进展，制作了一部娱乐性的动画电影，为观众们提供了一种名为“开始”(theBeginning)的影片，该影片以《开始》(theBeginning)为主题，讲述了卵子受精的美丽与神奇。
展示了在一个活细胞的层次结构中，这个相同的模型揭示了跨多个尺度的工作的张拉整体。在分子水平上，通过预应力稳定形状的个体dynein分子，在ATP结合位点周围有更强的刚性区域，它们通过来自ATP的输入能量来抵抗变形，而将这种力转化为dynein分子的特征运动。多个染料的集体形状变化产生的张力作用在长、抗压的微管上，它们被束缚在更大的尺度上。这些拉伸力驱动微管的周期性弯曲，导致精子尾部在整个细胞水平上有节奏的收缩。这是第一次对我们的知识进行的研究，它展示了从原子尺度上的化学能量释放到整个细胞层面的机械连续性、应变传递和构象变化，以及张力如何引导这些变化驱动细胞运动。
在这个dynein分子的动画中，彩色线表示构成蛋白质的所有原子之间的键。它的运动模式反映了在不同尺度下拉张的原理。图片信息及版权：WyssInstituteatHarvardUniversity
然后研究人员对一个新的系统进行了建模，该系统具有相同的过程:线粒体酶ATP合酶，它也表现出一种独特的构象变化，这是由力对酶结构的应用所决定的，通过张拉整体来传播。在模型中改变酶的底物分子的浓度产生了一个结果，描述了ATP合酶如何与它的微环境相互作用。进一步的研究表明，在线粒体内与外褶的酶分子的较高的普遍存在，实际上也有助于微环境的物理性质，这意味着张拉整体也在复杂的多分子相互作用的尺度上稳定结构。把研究的重点放在了细胞规模和下降的结构上，但是这种建模方法也可以扩展到更大的结构，这样你就可以建模几乎任何多尺度系统。研究人员预期，他们的方法可以用来为各种各样的应用提供模型，从机械生物学到细胞信号转导，再到解码生命本身的基础。
Tensegrity是生物设计原理的一个很好的例子，我们在Wyss研究所得到了启发，我们利用它来创造新技术，例如处理(核心教员和分子机器人联合成立)威廉施我们建立tensegrity-basedDNAnanodevices,可以通过编程改变形状对生物医学应用的需求和[核心教员和Bioinspired机器人位联席]完婚Nagpal，设计一个自残,模块化机器人可以执行各种动作更快比传统的机器人。现在我们已经有了一种建模方法来验证并整合了张拉整体，我们希望能够以全新的、意想不到的方式来研究和使用它。
知识：科学无国界，博科园-科学科普参考：LindsayBrownell内容：经“博科园”判定符合今主流科学来自：哈佛大学编译：光量子审校：博科园解答：本文知识疑问可于评论区留言传播：博科园