Kunstige cilia ansporer til nytænkning inden for nanoteknologi

(PhysOrg.com) -- Cilia, små hårlignende strukturer, der udfører bedrifter såsom at fjerne mikroskopisk affald fra lungerne og bestemme den korrekte placering af organer under udvikling, bevæge sig på mystiske måder. Deres slagbevægelser er synkroniseret til at producere metakrone bølger, ligner i udseende til "bølgen", der skabes i store arenaer, når publikum bruger deres hænder til at skabe et bevægelsesmønster rundt om hele stadion.

På grund af ciliære funktioners betydning for sundheden, der er stor interesse for at forstå den mekanisme, der styrer flimmerhårenes slagmønstre. Men at lære præcis, hvordan flimmerhårens bevægelse er koordineret, har været udfordrende.

Det kan begynde at ændre sig som et resultat af skabelsen, af et team af Brandeis-forskere, af kunstige cilia-lignende strukturer, der dramatisk tilbyder en ny tilgang til cilia-studier.

I en nylig afhandling offentliggjort i tidsskriftet Videnskab , Lektor i fysik Zvonimir Dogic og kolleger præsenterer det første eksempel på et simpelt mikroskopisk system, der selvorganiserer sig for at producere cilia-lignende slagmønstre.

"Vi har vist, at der er en ny tilgang til at studere tæsk, ” siger Dogic. "I stedet for at dekonstruere den fuldt fungerende struktur, vi kan begynde at bygge kompleksitet fra bunden."

Kompleksiteten af ​​disse strukturer udgør en stor udfordring, da hvert cilium indeholder mere end 600 forskellige proteiner. Af denne grund, de fleste tidligere undersøgelser af cilia har brugt en top-down tilgang, forsøg på at studere slagmekanismen ved at dekonstruere de fuldt fungerende strukturer gennem systematisk eliminering af individuelle komponenter.

Det tværfaglige team bestod af fysikstuderende Timothy Sanchez og biokemistuderende David Welch, som arbejdede med biolog Daniela Nicastro og Dogic. Deres eksperimentelle system bestod af tre hovedkomponenter:mikrotubuli filamenter - små hule cylindre fundet i både dyre- og planteceller, motoriske proteiner kaldet kinesin, som bruger kemisk brændstof til at bevæge sig langs mikrotubuli og et bundtningsmiddel, der inducerer samling af filamenter til bundter.

Sanchez og kolleger fandt ud af, at under et bestemt sæt betingelser organiserer disse meget simple komponenter sig spontant i aktive bundter, der slår på en periodisk måde.

Ud over at observere slag af isolerede bundter, forskerne var også i stand til at samle et tæt felt af bundter, der spontant synkroniserede deres slagmønstre til vandrende bølger.

Selvorganiserende processer af mange slags er for nylig blevet et fokus for fysiksamfundet. Disse processer spænder i skala fra mikroskopiske cellulære funktioner og sværme af bakterier til makroskopiske fænomener som flok fugle og trafikpropper. Siden kontrollerbare eksperimenter med fugle, menneskemængder på fodboldstadioner og trafik er praktisk talt umulige at gennemføre, eksperimenterne beskrevet af Sanchez og kolleger kunne tjene som model til at teste en bred vifte af teoretiske forudsigelser.

Ud over, reproduktionen af ​​en sådan væsentlig biologisk funktionalitet i et simpelt system vil være af stor interesse for felterne cellulær og evolutionær biologi, Dogic siger. Resultaterne åbner også en dør for udviklingen af ​​et af hovedmålene for nanoteknologi - at designe et objekt, der er i stand til at svømme uafhængigt.