Sjøstjerne-embryoner svømmer i formation som en levende krystal, kunne danne grundlag for designet af selvsamlende robotsværme

I sine tidligste stadier, længe før det spirer sine signaturvedhæng, ligner et søstjerneembryo en lillebitte perle, der snurrer gennem vandet som et miniaturekugleleje.

Nu har MIT-forskere observeret, at når flere søstjerne-embryoner spinder op til vandoverfladen, trækker de til hinanden og samles spontant til en overraskende organiseret, krystallignende struktur.

Endnu mere nysgerrig kan denne kollektive "levende krystal" udvise mærkelig elasticitet, en eksotisk egenskab, hvorved spinningen af ​​individuelle enheder - i dette tilfælde embryoner - udløser meget større krusninger henover hele strukturen.

Forskerne fandt ud af, at denne rislende krystalkonfiguration kan vare ved i relativt lange perioder, før den opløses, efterhånden som individuelle embryoner modnes.

"Det er helt bemærkelsesværdigt - disse embryoner ligner smukke glasperler, og de kommer til overfladen for at danne denne perfekte krystalstruktur," siger Nikta Fakhri, Thomas D. og Virginia W. Cabot Career Development Associate Professor of Physics ved MIT. "Som en flok fugle, der kan undgå rovdyr, eller flyve mere glat, fordi de kan organisere sig i disse store strukturer, kan denne krystalstruktur måske have nogle fordele, vi ikke er klar over endnu."

Ud over søstjerner, siger hun, kunne denne selvsamlende, rislende krystalsamling anvendes som et designprincip, for eksempel til at bygge robotter, der bevæger sig og fungerer sammen.

"Forestil dig at bygge en sværm af bløde, roterende robotter, der kan interagere med hinanden som disse embryoner," siger Fakhri. "De kunne designes til selvorganisering for at kruse og kravle gennem havet for at udføre nyttigt arbejde. Disse interaktioner åbner op for en ny række interessant fysik at udforske."

Fakhri og hendes kolleger har offentliggjort deres resultater i en undersøgelse, der i dag vises i Nature .

Spind sammen

Fakhri siger, at holdets observationer af søstjernekrystaller var en "serendipitous opdagelse." Hendes gruppe har studeret, hvordan søstjernefostre udvikler sig, og specifikt hvordan embryonale celler deler sig i de allertidligste stadier.

"Sjøstjerner er et af de ældste modelsystemer til at studere udviklingsbiologi, fordi de har store celler og er optisk gennemsigtige," siger Fakhri.

Forskerne observerede, hvordan embryoner svømmer, mens de modnes. Når først de er befrugtet, vokser og deler embryonerne sig og danner en skal, der så spirer små hår, eller cilia, der driver et embryo gennem vandet. På et bestemt tidspunkt koordinerer flimmerhårene sig for at spinde et embryo i en bestemt rotationsretning eller "kiralitet". Tzer Han Tan, et af gruppemedlemmerne, bemærkede, at mens embryoner svømmede op til overfladen, fortsatte de med at snurre mod hinanden.

"En gang imellem kom en lille gruppe sammen og på en måde dansede rundt," siger Fakhri. "Og det viser sig, at der er andre marine organismer, der gør det samme, som nogle alger. Så, tænkte vi, det her er spændende. Hvad sker der, hvis du sætter mange af dem sammen?"

I deres nye undersøgelse befrugtede hun og hendes kolleger tusindvis af søstjerneembryoner og så derefter, mens de svømmede til overfladen af ​​lavvandede retter.

"Der er tusindvis af embryoner i en skål, og de begynder at danne denne krystalstruktur, der kan vokse sig meget stor," siger Fakhri. "Vi kalder det en krystal, fordi hvert embryo er omgivet af seks naboembryoner i en sekskant, der gentages over hele strukturen, meget lig krystalstrukturen i grafen."

Jigglende krystaller

To understand what might be triggering embryos to assemble like crystals, the team first studied a single embryo's flow field, or the way in which water flows around the embryo. To do this, they placed a single starfish embryo in water, then added much smaller beads to the mix, and took images of the beads as they flowed around the embryo at the water's surface.

Based on the direction and flow of the beads, the researchers were able to map the flow field around the embryo. They found that the cilia on the embryo's surface beat in such a way that they spun the embryo in a particular direction and created whirlpools on either side of the embryo that then drew in the smaller beads.

Mietke, a postdoc in Dunkel's applied mathematics group at MIT, worked this flow field from a single embryo into a simulation of many embryos, and ran the simulation forward to see how they would behave. The model produced the same crystal structures that the team observed in its experiments, confirming that the embryos' crystallizing behavior was most likely a result of their hydrodynamic interactions and chirality.

In their experiments, the team also observed that once a crystal structure had formed, it persisted for days, and during this time spontaneous ripples began to propagate across the crystal.

"We could see this crystal rotating and jiggling over a very long time, which was absolutely unexpected," she says. "You would expect these ripples to die out quickly, because water is viscous and would dampen these oscillations. This told us the system has some sort of odd elastic behavior."

The spontaneous, long-lasting ripples may be the result of interactions between the individual embryos, which spin against each other like interlocking gears. With thousands of gears spinning in crystal formation, the many individual spins could set off a larger, collective motion across the entire structure.

The researchers are now investigating whether other organisms such as sea urchins exhibit similar crystalline behavior. They are also exploring how this self-assembling structure could be replicated in robotic systems.

"You can play with this design principle of interactions and build something like a robotic swarm that can actually do work on the environment," she says. + Udforsk yderligere

Researchers build embryo-like structures from human stem cells

This story is republished courtesy of MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), a popular site that covers news about MIT research, innovation and teaching.