Forskere afslører 3D-bevægelse af nematoden C. elegans

Jerzy Blawzdziewicz, professor, medformand og direktør for kandidatstudier på Institut for Maskinteknik, og Siva Vanapalli, en lektor og Bill Sanderson fakultet stipendiat i Department of Chemical Engineering i Texas Tech University Edward E. Whitacre Jr. College of Engineering, havde deres forskningspapir, "Rullemanøvrer er afgørende for aktiv omorientering af Caenorhabditis elegans i 3D-medier, "for nylig offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences ( PNAS ).

C. elegans, en en-millimeter rundorm, er en stærk modelorganisme, der bruges til undersøgelser af grundlæggende biologiske processer bevaret på tværs af arter. Forskere rundt om i verden måler denne nematodes lokomotive adfærd for at få indsigt i forskellige undersøgelsesområder, såsom genetiske mutationer, muskelbiologi, neurale kontrol af bevægelse og evaluering af ernæring, motion og lægemiddelvirkninger.

De fleste forskningsresultater ved hjælp af lokomotoriske aflæsninger har været baseret på todimensionale (2-D) beskrivelser af nematodebevægelsen. I laboratorier, C. elegans dyrkes normalt på en agargeloverflade, og 2-D modeller giver et væld af nyttige oplysninger. Imidlertid, nogle af ormens adfærd, såsom gravning og svømning, kræver en tredimensionel (3-D) undersøgelsesmetode.

I øvrigt, i dets naturlige habitat, som er fugtig, nedbrydning af organisk stof, nematoden bevæger sig i et komplekst 3D-miljø. Endnu, hidtil har der ikke været nogen omfattende kvantitative undersøgelser af ormens 3D-gang.

I deres papir, Blawzdziewicz, Vanapalli og deres team identificerede og kvantificerede nøglemanøvrer, nematoden bruger til at udforske 3D-rum. Deres fælles forskningsindsats var baseret på de vitale bidrag fra to maskintekniske doktorander, Alejandro Bilbao og Amar Patel, hvem opnåede teoretiske resultater, og fra en kemiteknisk postdoktor, Mizanur Rahman, der gennemførte eksperimenterne.

"Vi ser på, hvordan dette lille dyr bevæger sig i sit miljø, og hvilken slags manøvrer det udfører, "Sagde Blawzdziewicz." I 2-D, nematoden driver sin krop ved hjælp af sideværts bølgninger og drejer ved momentant at øge bølgeamplituden på den ene side. Det har vi fundet ud af, at omorientere sig selv i 3D, nematoden udfører en rullemanøvre, der ligner en fly akrobatisk rulle. Dyret roterer effektivt omkring aksens bane (udfører 3D-delen af ​​dets bevægelse), genoptager derefter 2-D-drejninger i et nyt bølgeplan. Vi har registreret dette nye adfærdsmønster og teoretisk analyseret dets effektivitet, hyppighed og betydning. "

Genomet til C. elegans var den første i fuld sekvens, og nematodens neurale system er fuldstændig kortlagt. Dette hjælper i forskningsundersøgelser, fordi det nu er go-to animal model for forskellige sygdomme.

Den korte drægtigheds- og ældningsperiode for C. elegans er en anden fordel ved at bruge dyret.

"Det er en gennemsigtig orm, så du kan se igennem det, som har sine fordele, og hvert dyr lægger omkring 300 æg, "Sagde Vanapalli." Hvert dyr lever i cirka tre uger, så på den korte tid, du kan overvåge et stort antal nematoder. Hvis du tænker på aldringsstudier, hvilket er et af de områder Jerzy og jeg er interesseret i, et hovedmål er at forstå, hvilke genetiske mutationer og hvilke lægemidler der kan forbedre neuromuskulær sundhed, når dyret ældes. En mus lever i to år, så det er meget lang tid at spore, et meget langt eksperiment. Men her, det er tre uger.

"Vi har til hensigt at bruge vores 3D-bevægelsesanalyse til at karakterisere sundheden ved nervøse og muskuløse systemer i aldrende orme. 3D-tilgangen er et mere følsomt værktøj i forhold til at evaluere C. elegans bevægelse i 2-D."

Undersøgelserne af Texas Tech -forskergruppen udgør allerede en ny, vigtigt og åbent spørgsmål om, hvordan 3D-kropsstillinger, der er involveret i rullemanøvrer, aktiveres af, i det væsentlige, et todimensionalt netværk af neurale forbindelser.

C. elegans har fire rækker muskler langs kroppen, så aktivering i enhver retning burde være mulig. Imidlertid, motorneuroner i det meste af kroppen har symmetriske forbindelser til enten ventrale eller dorsale muskler, og på grund af disse symmetriske forbindelser, det menes generelt, at C. elegans ikke er i stand til at aktivere 3D-bevægelser, undtagen i hoveddelen af ​​kroppen.

"Vores analyse viser, at hele nematodelegemet er i stand til 3D-bevægelser, "Sagde Blawzdziewicz." Spørgsmålet opstår således, hvordan motorneuronen forbundet til to muskler kan sende forskellige signaler for at fremkalde asymmetrisk respons i disse muskler. "

Forskningen blev finansieret af National Science Foundation, National Institutes of Health og NASA.

En af simuleringerne, der viser geometrien og mekanikken ved 2-D-sving og 3D-rullemanøvrer i svømning, er vist nedenfor.