Ensimmäinen esimerkki solun origamista, joka löydettiin protistista | Cilostazol

Ensimmäinen esimerkki solun origamista, joka löydettiin protistista

Tämä artikkeli on arvosteltu Science X:n mukaan toimituksellinen prosessi
ja politiikkaa.
Toimittajat on korostanut seuraavia ominaisuuksia ja samalla varmistanut sisällön uskottavuuden:

faktatarkistettuna

vertaisarvioitu julkaisu

luotettava lähde

oikoluku


Vierekkäinen vertailu Lacrymaria olorista, merkittävästä ripsistä, jonka “kaula” on ojennettuna ja sisään vedettynä. Tutkijat havaitsivat, että origamimäiset taitokset mahdollistavat tämän muodonmuutoksen, jossa mikrotubulukset määrittävät laskoksen. Luotto: Prakash Lab

× kiinni


Vierekkäinen vertailu Lacrymaria olorista, merkittävästä ripsistä, jonka “kaula” on ojennettuna ja sisään vedettynä. Tutkijat havaitsivat, että origamimäiset taitokset mahdollistavat tämän muodonmuutoksen, jossa mikrotubulukset määrittävät laskoksen. Luotto: Prakash Lab

Yhdistämällä syvän uteliaisuuden ja “virkistysbiologian” Stanfordin tutkijat ovat havainneet, kuinka yksinkertainen solu tuottaa erittäin monimutkaista käyttäytymistä, kaikki ilman hermostoa. Se on origami, he sanovat.

“Elämässä on joitain asioita, joita voi nähdä ja sitten ei koskaan nähdä”, sanoi Stanfordin yliopiston biotekniikan apulaisprofessori Manu Prakash kutsuessaan videon viimeisimmästä kiehtovuudestaan, yksisoluisesta organismista Lacrymaria olor, vapaana elävä protisti. . hän sattui leikkimään paperillaan Kokoontaitettava kaukoputki. “Se on… vain… se on kiehtovaa.”

“Siitä hetkestä lähtien, kun Manu näytti sen minulle, olin vain järkyttynyt tästä solusta”, sanoi Eliott Flaum, jatko-opiskelija “uteliaisuusvetoisesta” Prakash Labista. Prakash ja Flaum viettivät viimeiset seitsemän vuotta tutkien Lacrymaria olorin jokaista liikettä ja ovat julkaisseet Paperi työssään Tiede.

“Ensimmäisen kerran, kun palasin fluoresenssimikrokuvan kanssa, se oli vain henkeäsalpaava”, Flaum sanoi. “Se kuva on lehdessä.”

Prakashin jonossa oleva video paljastaa, miksi tämä organismi on paljon muutakin kuin kaunis kuva: yksi pisaran muotoinen solu ui vesipisarassa. Hetkessä pitkä, ohut “kaula” työntyy esiin sipulimaisesta alapäästä. Ja se jatkuu. Ja menee. Sitten niska vetäytyy yhtä nopeasti kuin mitään ei olisi tapahtunut.

Sekunneissa vain 40 mikronin kärjestä pyrstään solu itänyt kaulan, joka ulottui 1500 mikronia tai enemmän maailmaan. Se vastaa 6 jalkaa pitkää ihmistä, joka heijastaa päänsä yli 200 jalkaan. Kaikki solusta ilman hermostoa.

“Se on uskomattoman monimutkaista käytöstä”, Prakash sanoi hymyillen.


Nopea solun pidentyminen supistuneista tiloista pitkittyneisiin tiloihin Luotto: Eliott Flaum et al

Muoto on toiminto

L. olor sisältyy hintaan Tiede koska tässä käyttäytymisessä Prakash ja Flaum ovat havainneet uuden geometrisen mekanismin, jota biologiassa ei ole aiemmin tunnettu. Ja he ovat ensimmäiset, jotka selittävät, kuinka tällainen yksinkertainen solu voi tuottaa niin uskomatonta morfodynamiikkaa, kaunista taittumista ja avautumista – jota kutsutaan myös origamiksi – yhden solun mittakaavassa, kerta toisensa jälkeen ilman virheitä.

Se on geometriaa. L. olorin käyttäytyminen on koodattu sen sytoskeletaaliseen rakenteeseen, aivan kuten ihmisen käyttäytyminen on koodattu hermopiireihin.

“Tämä on ensimmäinen esimerkki solujen origamista”, Prakash sanoi. “Ajattelemme kutsua sitä kyynelevaivoksi.”

Tarkemmin sanottuna se on osa perinteistä origami, joka tunnetaan nimellä “kaareva-kihartunut origami”. Se kaikki perustuu ohuiden kierteisten mikrotubulusten rakenteeseen – kylkiluihin, jotka kietoutuvat solun kalvon ympärille. Nämä mikrotubulusten kylkiluut on koteloitu herkälle läpikuultavalle kalvolle, joka määrittää harjanteen taittuvan kuvion sarjassa vuoristo- ja laaksopoimuja.

Prakash ja Flaum käyttivät transmissioelektromikroskopiaa ja muita edistyneitä tutkimustekniikoita osoittaakseen, että näitä jäykkiä, kierteisiä mikrotubulusjuovia on itse asiassa 15, jotka ympäröivät L. olorin solukalvoa – sytoskeleton. Nämä putket kiertyvät ylös ja irti, mikä johtaa pitkään projektioon ja sisäänvetoon, ja taittuvat takaisin itseensä kuin puristetun kierukkahaitarin palkeet. Kalvokalvo piiloutuu solun sisään siisteiksi, tarkasti määritellyiksi laskoksiksi.

“Kun tallennat kerroksia kierteiseen kulmaan näin, voit varastoida äärettömän määrän materiaalia”, Flaum selitti. “Biologia on keksinyt tämän.”


Kaarevan taitteen peräkkäinen avautuminen. Luotto: Eliott Flaum et al

Geometria on kohtalo

Tyylikkyys on yhtälössä. Tämän rakenteen on matemaattisesti mahdotonta avautua millään muulla tavalla – ja päinvastoin se voi vetäytyä vain yhdellä tavalla. Prakashissa ehkä silmiinpistävämpää on arkkitehtuurin vankkaus. Elinaikanaan L. olor suorittaa tämän projisoinnin ja vetäytymisen 50 000 kertaa epäonnistumatta, hän sanoi: “L. olor on sidottu sen geometriaan taittumaan ja avautumaan tällä erityisellä tavalla.”

Avain on alitutkittu matemaattinen ilmiö, joka tapahtuu juuri siinä kohdassa, jossa kylkiluut vääntyvät ja taitettu kalvo alkaa avautua. Se on singulariteetti – piste, jossa rakenne taittuu ja avautuu samanaikaisesti. Se on molemmat ja ei kumpikaan – yksittäinen.

Prakash tarttuu paperiin, taittaa sen kartiomaiseksi ja vetää sitten paperin yhdestä kulmasta osoittaakseen, kuinka tämä singulaarisuus (kutsutaan d-kartioksi) liikkuu arkin poikki siistinä linjana – ja työntämällä kulmaa taaksepäin, kuinka singulaarisuus siirtyy takaisin täsmälleen samalla tavalla alkuperäiseen asemaansa.

“Se avautuu ja taittuu tällä singulaarisuudesta joka kerta ja toimii ohjaimena. Tämä on ensimmäinen kerta, kun käyttäytymisen geometrinen ohjaus on kuvattu elävässä solussa”, Prakash selitti.

Vapaa-ajan biologia

Jatkuva teema, joka kulkee läpi Prakash Labin työn, on syvä ihmeen ja leikkisyyden tunne, joka johtaa energiseen uteliaisuuteen, jota tarvitaan tällaisen idean toteuttamiseen niin pitkään. Se on Prakashin termein sanottuna vanhan koulukunnan tiedettä. Hän kutsuu sitä myös virkistysbiologiaksi.

Osoittaakseen inspiraationsa Prakash näytti sukupuun muista yksisoluisista organismeista, joita hän on valinnut tutkimaan. Totta, kukaan ei voi tehdä sitä, mitä L. olor voi, hän sanoi. Mutta nämä monimutkaiset geometriat ovat tuhansia muotoja. Kaunis? Toki, mutta jokainen heistä kätkee myös upeita ja kirjoittamattomia sääntöjä hihansa alle.

“Aloitimme palapelillä”, Prakash selitti kaikella vakavuudella, jonka tiedemies voi koota. “Ellie ja minä kysyimme hyvin yksinkertaisen kysymyksen: Mistä tämä materiaali tulee? Ja minne se menee? Valitsimme elämänpuun leikkipaikkamme. Seitsemän vuotta myöhemmin olemme tässä.”

Käytännön sovelluksissa insinööri Prakash näkee jo uuden aikakauden mikromittakaavassa käyttöönotettavissa “elävissä koneissa”, jotka voivat muuttaa kaiken avaruusteleskoopeista leikkaussalissa oleviin leikkausroboteihin.

Prakash on myös vanhempi tutkija Stanford Woodsin ympäristöinstituutissa, biologian ja valtamerten apulaisprofessori, Stanford Bio-X:n, Wu Tsai Human Performance Alliancen, Maternal & Child Health Research Instituten ja jäsen. Wu Tsai Neurosciences Institute.

Lisää tietoa:
Eliott Flaum et ai., Kaareva rypistys origami ja topologiset singulariteetit mahdollistavat L. olorin hypertensibiliteettiä, Tiede (2024). DOI: 10.1126/science.adk5511. www.science.org/doi/10.1126/science.adk5511

Lehden tiedot:
Tiede


Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *