Synkronsvømning:Biologi på mikroskala

Specialiserede trævlede væsker strømmer gennem de menneskelige led og hjælper med at danne stoffer som slim. Disse væsker indeholder lange, fleksible molekyler som polymerer eller proteiner, giver dem evnen til at strække og absorbere stød.

Imidlertid, videnskabsmænd har endnu ikke helt forstået, hvordan disse gådefulde væsker interagerer med små biologiske strukturer. Strukturer af særlig interesse er cilia - små hårlignende fremspring knyttet til cellemembranen, som bølger til at udføre funktioner som at fjerne forurenende stoffer ud af luftvejene. Disse væskestruktur-interaktioner er vigtige for at forstå præcis, hvordan cilia bevæger sig for at udføre deres biologiske pligter. Imidlertid, disse interaktioner sker i så lille skala, at de har været svære at studere eksperimentelt.

Nu, forskere i Micro/Bio/Nanofluidics Unit ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har identificeret nogle nøgletræk ved, hvordan disse såkaldte viskoelastiske væsker flyder omkring cilia. Viskoelastiske væsker er tyktflydende, som melasse, samt stretchy. Studiet, udgivet i Lille , tyder på, at det er væskernes elasticitet, der driver den mønstrede bevægelse af flimmerhårene, siger forskerne.

Ind i de helt smås verden

For at opsætte deres eksperiment, forskerne udhulede mikrokanaler i smeltet silicaglas. Disse kanaler indeholdt enten en eller to fleksible cylindriske stolper fastgjort til den ene side af kanalen, som repræsenterede cilia.

Forskerne brugte derefter sprøjtepumper til at drive en viskoelastisk opløsning gennem glasmikrokanalerne ved en præcist kontrolleret hastighed. Den eksperimentelle væske indeholdt ormelignende miceller (også kaldet levende polymerer), som er mikron-størrelse fleksible strukturer, der efterligner bevægelsen af ​​biologiske molekyler til stede i menneskelige kropsvæsker.

Forskerne tog en række målinger, ved at bruge tre separate højeffektmikroskoper med forskellige optiske teknikker til at fange væskens adfærd og egenskaber, når den interagerer med stolperne.

Først, forskerne brugte en metode kaldet mikropartikelbilledhastighed til at registrere væskens hastighed, mens den strømmede rundt om stolperne. De observerede, at væsken fortrinsvis bevægede sig rundt på den ene side af stolperne, efterlader næsten stationær væske på den anden side. Ved visse strømningshastigheder, imidlertid, væsken på den stationære side begyndte at strømme i en rykkende bevægelse.

Mens væsken bevægede sig, posten begyndte at svinge. "Et vigtigt aspekt af undersøgelsen var vores evne til omhyggeligt at spore de resulterende oscillationer af stolperne som en funktion af tiden ved hjælp af højhastigheds videomikroskopi, " sagde Dr. Simon Haward, enhedens gruppeleder.

Ved hjælp af en metode kaldet højhastigheds polariseret lysmikroskopi var de også i stand til at spore områderne omkring de cylindriske stolper, hvor de ormlignende miceller strakte sig elastisk, og at korrelere mængden af ​​udstrækning med positionen af ​​stolperne.

Mens de interagerer med væsken, to stolper placeret i nærheden af ​​hinanden begyndte at svinge i næsten perfekt synkronisering, tyder på, at væskeelasticiteten medierer den synkrone slag af en celles cilia, siger forskerne.

"Den synkrone tidsdynamik af stolperne er fuldstændig bibragt af væsken selv, " sagde Dr. Cameron Hopkins, undersøgelsens første forfatter. "Imidlertid, dette sker kun under særlige forhold. Hvis vi øger strømningshastigheden og dermed indflydelsen af ​​væskens elasticitet, så mister vi regelmæssigheden af ​​svingningerne, og det bliver uregelmæssigt."

Udvikling af nye biologiske modeller

Bevæger sig fremad, forskerne håber at kunne studere, hvordan ændring af fleksibiliteten og afstandene mellem de cylindriske stolper vil påvirke deres adfærd. Hopkins og hans kolleger håber også at gentage eksperimentet i et større system med op til tyve cylindriske stolper til at efterligne en række cilia.

"Vores nuværende eksperimentelle opsætning er en idealiseret geometri - selvfølgelig, virkelige biologiske systemer er meget mere komplicerede, " sagde professor Amy Shen, lederen af ​​Micro/Bio/Nanofluidics Unit. "Denne nuværende model er et springbræt til noget mere komplekst og mere biologisk relevant."

Forskerne håber, at yderligere forskning vil hjælpe med at belyse de helt smås fysik – og måske give indsigt i de dynamiske bevægelser, der opstår i vores celler.