Крихітний одноклітинний водний організм може стиснутися до чверті своєї початкової довжини менш ніж за п’ять мілісекунд, у сотні разів швидше, ніж людина може моргнути. Зараз вчені визначили незвичайний механізм цього дивного руху.
тіло, Spirostomum ambiguumпокладається на іони кальцію та спеціальну білкову мережу, організовану як риб’яча сітка. Ця система дозволяє йому скорочуватися набагато швидше, ніж людські м’язи, і дослідники кажуть, що відкриття може в кінцевому підсумку призвести до розробки швидших штучних м’язів і синтетичних клітинних пристроїв.
Одна клітина з надзвичайною швидкістю
Spirostomum ambiguum — гігантський одноклітинний черв’як, названий на честь спідниці волохатих інфузорій, яку він використовує для плавання. Серед гусениць вона здатна змикати близько 100 довжин тіла в секунду, а потім швидко повторює рух. Вчені вважають, що така поведінка може допомогти організму втекти від хижаків або спілкуватися з іншими личинками.
М’язові волокна людини можуть скорочуватися з такою ж швидкістю, але цей процес триває приблизно в 10 разів довше. Це мало значення спіростома особливо цікавий для дослідників, які хочуть зрозуміти машину, яка робить можливою її надзвичайну швидкість.
«Різниця між чим спіростома каже Мері Елтінг, ад’юнкт-професор біофізики Університету штату Північна Кароліна та співавтор роботи. «Якщо ми зможемо зрозуміти ці процеси, це допоможе нам створити синтетичні системи, які імітують швидкість і потужність цього одноклітинного організму».
Білкова мережа, яка працює як риб’яча сітка
Використовуючи електронну мікроскопію та імунофлуоресценцію, дослідницька група провела дослідження спіростома докладно. Вони виявили, що іони кальцію ініціюють скорочення, тоді як незвичайна сітчаста структура виконує рух.
На відміну від тварин, одноклітинні організми, такі як спіростома не мають м’язових волокон. Замість цього вони містять волокнисті структури, звані міонемою. Ці структури складаються з білків, що зв’язують кальцій, центрину та Sfi1.
в спіростомаМіонеми утворюють сітку навколо зовнішньої сторони тіла. Як тільки починається скорочення, ця мережа стає жорсткішою всередину, а потім повертається до початкової конфігурації.
«Геометрія рибальських сіток унікальна, тому що дозволяє спіростома Він рівномірно скорочується, захищаючи внутрішні органели (версії одноклітинних органів), поки рухається дуже швидко”, – каже Елтінг. “Це працює, тому що білок Sfi1 у міонемі може переходити з жорсткого на гнучкий. У присутності іонів кальцію Sfi1 втрачає свою жорсткість і злипається, як кулька з вологих спагетті, що стягує сітку та зменшує організм».
Зовсім інший спосіб переміщення сили
М’язи людини використовують аденозинтрифосфат, або АТФ, для зберігання та вивільнення енергії, необхідної для скорочення. спіростома спирається на принципово інший процес.
«Порівняйте те, як наші м’язи скорочуються з ходьбою спіростома це схоже на порівняння газу з електрикою, — каже Елтінг. — АТФ зазнає хімічних змін і «горить», як бензин, тоді як іони кальцію діють як електричний струм, хоча ми досі не знаємо, що генерує струм або як він «регенерує», щоб скорочення могло відбутися знову».
Ця здатність до відновлення залишається одним із головних питань без відповіді. Тепер дослідники хочуть більш точно визначити, як кальцій викликає скорочення і як організм готується до повторення процесу.
«Однак ми очікували, що реакції, спричинені кальцієм, будуть «разовими». спіростома може робити це неодноразово”, – каже Елтінг. “Розуміння цих аспектів руху є ключем до побудови швидких, незалежних від АТФ штучних м’язів”.
До швидших штучних м’язів
Отримані дані можуть стати корисними підказками для інженерів, які хочуть побудувати штучні м’язи, які рухаються швидко, незалежно від АТФ. Розуміючи, як спіростома дослідники сподіваються відкрити принципи, які можна адаптувати для синтетичних пристроїв.
Дослідження в Збірники Національної академії ім і був підтриманий Національним науковим фондом під номерами грантів 1935260, 2313722, 2313724, 1935262, 1817334, 2313727 та 2313725 та NIGMS Національного інституту здоров’я під номерами грантів R335M та R335G. R35GM142588.
Співавтори роботи: Аарон Діннер, професор хімії Чиказького університету; Джеррі Хонц, Університет Дрейка Маршалла та Джудіт Флапан, професор біології; і Саад Бхамла, доцент кафедри хімічної та біологічної інженерії в Університеті Колорадо в Боулдері.
Інші учасники штату NC включають колишнього доктора філософії. студент і перший автор Джозеф Ланнан і асистент професор Пітер Томпсон. Карлос Флойд і Суріянараянан Вайкуннатан з Чиказького університету; LX Xu з Технологічного інституту Джорджії; Конні Ян і Уоллес Маршалл з Каліфорнійського університету в Сан-Франциско також зробили свій внесок у цю роботу.
