Undersøger motilitet ved svømning Euglena

Nogle arter af Euglenider, en diversificeret familie af encellede organismer i vand, kan udføre stor amplitude, elegant koordinerede kropsdeformationer. Selvom denne adfærd har været kendt i århundreder, dens funktion er stadig stærkt debatteret.

Forskere ved SISSA, National Institute of Oceanography and Applied Geophysics (OGS), Scuola Superiore Sant'Anna og Universitat Politècnica de Catalunya har for nylig foretaget en undersøgelse, der undersøgte motiliteten af ​​Euglena Gracilis, en Euglenid, især i sit svar på indespærring. I deres undersøgelse, udgivet i Naturfysik , de undersøgte svarene fra svømmende Euglena gracilis i miljøer med kontrolleret trængsel og geometri.

"De store amplitude-koordinerede bevægelser af Euglena-celler, kaldet metabolisme, er blevet beskrevet i århundreder, og stadig i dag fascinerer mikrobiologer, biofysikere og amatørmikroskoper, "Marino Arroyo, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Så vidt vi ved, ingen andre encellede organismer kan bevæge sig med en sådan elegance og koordination. Endnu, hvordan og hvorfor de gør det er et mysterium. Nysgerrighed var det, der drev os til at studere Euglenas motilitet. "

Den store amplitude og koordinerede kropsdeformationer observeret i Euglena omtales typisk som 'euglenoid bevægelse, 'eller' metabolisme '. Metabolisme varierer meget mellem arter og nogle gange endda inden for en art, lige fra en afrunding og blid bøjning eller vridning til periodiske og stærkt samordnede peristaltiske bølger, der bevæger sig langs cellelegemet.

"Blandt biofysikere, metabolisme blev anset for at være en måde at svømme i en væske, hvor disse celler lever, "Sagde Arroyo." Men protistologer er ikke overbevist af denne funktion for metabolisme, da Euglena kan svømme meget hurtigt og slå deres flagellum, som mange andre celletyper. I stedet, den fremherskende opfattelse er, at metabolisme er en funktionsløs rest "arvet" fra forfædre, der brugte celledeformationer til at opsluge store bytte. Ser celler udføre en så smuk og koordineret dans, vi troede ikke, at det tjente noget formål. Vores undersøgelse startede som et forsøg på at underbygge en sådan ikke-videnskabelig mavefornemmelse. "

Fortyndede kulturer af Euglena -celler svømmer generelt ved hjælp af deres flagellum og uden at ændre deres kropsform. Arroyo og hans kolleger, imidlertid, observerede, at efterhånden som tiden gik, og væsken under mikroskopet fordampede, deres kultur blev mere overfyldt, og celler begyndte at udvikle metabolisme.

"Inspireret af disse observationer og amatør YouTube -videoer, vi antog, at celledeformationerne kunne udløses ved kontakt med andre celler eller grænser i et overfyldt miljø, og at under disse betingelser, metabolisme kan være nyttig at gennemgå, frem for at svømme, "Antonio De Simone, en anden forsker involveret i undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Det var bemærkelsesværdigt let at bekræfte denne hypotese. Så snart vi pressede let celler mellem to glasoverflader, eller drev dem ind i tynde kapillærer, de begyndte systematisk at udføre metabolisme, hvilket resulterede i den hurtigste gennemgang af enhver celletype, så vidt vi ved, "tilføjede Giovanni Noselli, undersøgelsens første forfatter.

Da de var færdige med at teste denne hypotese, forskerne begyndte at sammenligne den kravleopførsel, de observerede i Euglena, med dyreceller, hvortil der i øjeblikket findes et større antal undersøgelser. Tidligere undersøgelser har observeret, at dyreceller, der kravler i et tyndt rør, har en tendens til at skubbe mod dets vægge for at bevæge sig fremad og overvinde væskens modstand i røret.

"Det fandt vi ud af, takket være deres peristaltiske deformationer, Euglena kan skubbe enten på væggene eller på væsken for at bevæge sig fremad, gør metabolisme til en bemærkelsesværdig robust måde at begrænse bevægelse på, "De Simone sagde." De kan faktisk bevæge sig ved at flytte meget lidt væske i en "snigende" fremdriftstilstand, og de kan ikke stoppes, selvom den hydrauliske modstand i kapillæren øges betydeligt. "

I deres eksperimenter, Arroyo, De Simone, Noselli og deres kollega Alfred Beran bemærkede, at Euglena -celler var i stand til at tilpasse deres gangart til varierende grad af indespærring. For at udføre denne adfærd, cellerne kunne bruge et sensorisk system til at detektere deres omgivende miljø og en eller anden form for intern informationsbehandling for at tilpasse deres aktivitet efter graden af ​​indespærring.

Forskerne fandt denne forklaring forvirrende, imidlertid, især da Euglena er enkeltceller uden nervesystem. For bedre at forstå, hvordan en enkelt Euglena -celle kan styre en sådan fleksibel og robust bevægelsesform, Arroyo og hans kolleger modellerede beregningsmæssigt det motile apparat i Euglena -celler, som i det væsentlige er en stribet cellehylster.

"Vi spekulerede på, om deres aktive kuvert, kaldet en pellicle, ansvarlig for celledeformationer, ville mekanisk selv tilpasse sig forskellige mekaniske forhold, "Sagde Arroyo." For at undersøge dette, vi udviklede en beregningsmodel, der viser, at overensstemmelse med de materialer og molekylære motorer, der udgør den aktive kappe af Euglena, kunne forklare denne tilpasningsevne, som i robotik kaldes mekanisk eller legemliggjort intelligens. "

Arroyo og hans kolleger samlede fascinerende observationer om kroppens deformationer af nogle Euglenider, antyder, at denne adfærd kunne i nogle tilfælde, blive udløst af indespærring. Ud over at demonstrere en funktion af metabolisme, deres undersøgelse etablerede en ny kategori af mobilcrawlere, som er særligt hurtige, robust og fleksibel.

"Hvis krybning efter metabolisme er så fordelagtig, man kan undre sig over, hvorfor den ikke bevares blandt andre arter, "Sagde Arroyo." Svaret er, at det kræver et indviklet maskineri, pellicle, som er en strippet konvolut lavet af elastiske strimler forbundet med molekylære motorer. Denne selektivt deformerbare overflade ligger et sted mellem plantecellernes stive væg og dyrecellernes væskehylster. Ud over biologi, vi tror, ​​at de underliggende fysiske/geometriske principper, der muliggør formændringer af denne kuvert, kan anvendes på kunstigt konstruerede systemer, f.eks. i blød robotik. "

Den beregningsmodel, der er udviklet af Arroyo og hans kolleger, kunne endelig belyse funktionen af ​​vidt dokumenterede euglenoide bevægelser. Deres fund tyder på, at disse organismers gangtilpasningsevne ikke kræver specifik mekanosensitiv feedback, men kunne snarere forklares ved den mekaniske selvregulering af et elastisk og udvidet motorsystem.

I deres seneste undersøgelse, forskerne har med succes identificeret en funktion af og driftsprincipperne bag den tilpasningsdygtige kropsdeformation af Euglena -celler. De planlægger nu at undersøge de cellulære mekanismer, hvormed metabolisme udløses, og hvorved cellulære deformationer formerer sig.

"Vi planlægger at undersøge metabolisme på tværs af forskellige arter af Euglena, "Sagde DeSimone." Indledende observationer afslører forskellige varianter af metabolisme. Vi arbejder også på at bygge kunstige materialer og enheder inspireret i den aktive og deformerbare kuvert af Euglena -celler ".

© 2019 Science X Network