Skub, træk eller hvirvl:De mange bevægelser af cilia

Cilia er bittesmå, hårlignende strukturer på celler i hele vores kroppe, der tjener en række funktioner, herunder at rense vores luftveje, cirkulere cerebrospinalvæske i vores hjerner og transportere æg i æggeledere. Mens forskere forstår deres funktion, forstår de ikke fuldt ud, hvordan de genererer de specialiserede bevægelser til at udføre disse funktioner.

Et team af forskere ved McKelvey School of Engineering ved Washington University i St. Louis, ledet af Louis Woodhams, lektor, og Philip V. Bayly, Lee Hunter Distinguished Professor og formand for Department of Mechanical Engineering &Materials Science, udviklede en ny matematisk model af cilium, der slår på grund af en mekanisk ustabilitet kaldet "fladder", der opstår under konstante kræfter genereret af motorproteinet dynein. Denne flagrende ustabilitet på mikroskalaen ligner aerodynamisk flagring i større systemer, som førte til det velkendte kollaps af Tacoma Narrows Bridge, og forekommer også i flyvinger og turbinevinger.

Resultaterne af forskningen blev vist på forsiden af ​​augustudgaven af ​​Journal of the Royal Society Interface .

Cilia slår på forskellige måder:flagellen, der findes på halen af ​​en sædcelle, skubber væske symmetrisk, mens andre typer cilia trækker asymmetrisk, svarende til en svømmers brystsvømningsbevægelse. Atter andre, såsom cilia i den embryonale knude, bevæger sig i en cirkulær eller hvirvlende bevægelse.

"Vi lavede en brugerdefineret finite-element model, der giver os mulighed for effektivt at udforske modellens parameterrum og give os et portræt af systemets adfærd," sagde Woodhams, førsteforfatter af papiret. "Denne model kan bruges til at forklare symmetriske, asymmetriske og 3D-slagende former for flimmerhår."

Holdet byggede en model, der har seks filamenter på ydersiden og en på indersiden, der var en tilnærmelse af strukturen af ​​flagellar axoneme, bundtet af mikrotubuli, der udgør den centrale kerne af et cilium. Fordi mange proteinstrukturer i axonemet er for små til at måle deres egenskaber direkte, tillod den matematiske model dem at udforske, hvordan kobling mellem individuelle filamenter ville påvirke slagfrekvens og form.

"Med denne model kunne vi prøve forskellige dynein-kraftstørrelser og forskellige stivheder af de indre strukturer," sagde Woodhams. "At forsøge at simulere systemet ved hjælp af kommerciel software kan tage timer at løse ét system. Med denne tilgang kan vi løse tusindvis af parameterpunkter og få et øjebliksbillede af systemets adfærd over mange forskellige punkter."

Baylys laboratorium har arbejdet med cilia som en model til at studere vibrationer, bølgebevægelser og ustabilitet i mekaniske og biomedicinske systemer. Den nye forskning bygger på tidligere arbejde ved at muliggøre effektiv egenværdianalyse, som karakteriserer slagfrekvens og form, i en multi-filament model af axonemet ved hjælp af specialudledte finite element matricer. Modellen inkluderer en ny matematisk repræsentation af dynein-motorproteinet, der afbalancerer interne kræfter og momenter, præcis som axonemet deformeres.

"Louies model er et stort bidrag til feltet. Den demonstrerer strengt og tydeligt, at en mekanisk flagrende ustabilitet kunne ligge til grund for cilia-slag - et af de mest allestedsnærværende og vigtige biofysiske fænomener i naturen," sagde Bayly. + Udforsk yderligere

Laver bølger:Forskere kaster lys over, hvordan cilia fungerer