Приседая в грязи природного заповедника Бэйлэндс в Пало-Альто, Ману Пракаш, доцент биоинженерии Стэнфордского университета, вглядывался в свой фолдскоп - оригами-микроскоп собственного изобретения стоимостью 1,75 доллара - тщательно изучая жителей солоноватые воды болота. Не сводя глаз с крупного одноклеточного организма, называемого Spirostomum, он наблюдал, как он делал то, что сразу же сделало его следующим объектом исследования.
«Я до сих пор помню, как впервые увидел этот организм, проплывающий под фолдскопом», - сказал Пракаш.«Это массивная клетка, но она сокращается менее чем за мгновение ока, ускоряясь быстрее, чем почти любая другая одиночная клетка. Когда вы этого не ожидаете, она как будто исчезает. клетки обратно в лабораторию и внимательно осмотрите."
Это наблюдение, сделанное с помощью простого инструмента всего в пяти милях от лаборатории Пракаша, теперь привело его и его коллег к открытию новой формы связи между клетками, подробно описанной в статье, опубликованной 10 июля в журнале Nature. Без прикосновения и без электрических или химических сигналов отдельные особи Spirostomum могут координировать свои сверхбыстрые сокращения настолько точно, что кажется, будто их группы сокращаются одновременно - реакция на хищников, которая заставляет их синхронно выделять парализующие токсины.
«В биологии существует много разных способов коммуникации, но это действительно новый вид передачи сигналов между клетками, который мы пытаемся понять», - сказал Арнольд Матийссен, научный сотрудник лаборатории Пракаша и ведущий автор исследования. бумага.«Возможно, это более универсально, чем мы описали до сих пор, и это способ общения многих различных видов организмов».
От скамеек к черным дырам
Лаборатория Пракаша собирает дикие образцы различных крошечных организмов из области, которую они называют Скамейкой Пегги, названной так в честь близлежащей мемориальной скамьи, и они приезжают сюда в течение многих лет, часто пару раз в неделю. Смешанные соленые и пресные воды, меняющиеся приливы и миграции птиц делают болото потенциальной горячей точкой биоразнообразия. Хотя Пракаш ничего этого не знал, когда впервые посетил.
«Озеро Лагунита высохло, и я искал новое место для проб», - вспоминает Пракаш, имея в виду небольшое сезонное озеро в кампусе Стэнфорда. «Я посмотрел на карту GPS на своем телефоне и увидел это синее пятно. Сначала я ничего о нем не знал, но попробовать стоило».
Вернувшись в лабораторию, группа изучила дикие образцы Spirostomum, одновременно выращивая свои собственные культуры Spirostomum ambiguum, и начала глубокое погружение в детали этого сверхбыстрого сокращения. Используя высокоскоростную визуализацию, они обнаружили, что это происходит за 5 миллисекунд - человеческому глазу требуется 100-400 миллисекунд, чтобы моргнуть, - и что при этом клетка выдерживает примерно в 14 раз большую силу гравитации. Когда она сжимается, мешочки с токсином отрываются от краев клетки и высвобождают свое содержимое в окружающую жидкость.
Однажды поздней ночью в лаборатории исследователи также заметили, что, собравшись в скопления, все клетки сокращаются одновременно.
«Мы задались вопросом: «Как клетки, которые находятся почти в сантиметрах друг от друга, синхронизируются, чтобы делать что-то почти одновременно?», - сказал Саад Бхамла, бывший научный сотрудник лаборатории Пракаша, который сейчас работает доцентом в Джорджии. Тех.
Исследователи разрешили эту загадку, применив идеи из отдельного исследования, проведенного Дипаком Кришнамурти, еще одним аспирантом лаборатории Пракаша, о том, как отдельная клетка может ощущать движение воды вокруг себя. Как только они наблюдали поля потоков вокруг Spirostomum, стало ясно, что они сообщаются через гидродинамические потоки.
«Первая клетка сжимается и генерирует поток, который запускает вторую, а та запускает третью. Таким образом, вы получаете эту распространяющуюся триггерную волну, которая проходит через всю колонию», - описал Матийссен. «Это большие, дальнодействующие вихревые потоки, и скорость их передачи достигает метров в секунду, хотя каждая ячейка имеет длину всего от 1 до 4 миллиметров».
Mathijssen выяснил, что заставляет первую клетку сокращаться, с помощью эксперимента, который Пракаш и Кришнамурти уже построили для исследования Кришнамурти. Тщательно высасывая жидкость из небольшого отверстия в паре предметных стекол, содержащих S. ambiguum, Матийссен имитировал поедание своих хищников. Чем ближе к дыре перемещалась клетка, тем больше один конец ее тела вытягивался относительно другого - как это происходит, когда объект приближается к черной дыре. С помощью этого простого и относительно крупномасштабного эксперимента исследователи определили, что определенная степень телесного напряжения, вероятно, вызывает открытие или закрытие ионных каналов, управляемых напряжением, в S. ambiguum, заставляя его сокращаться.
Где дикие вещи
Лаборатории Prakash и Bhamla продолжают работу над S. ambiguum, чтобы узнать больше о том, как, когда и почему эти клетки сокращаются. Они также хотят знать, используется ли обнаруженная ими гидродинамическая коммуникация другими организмами, потому что в природе для выживания необходимы как генерация, так и восприятие потоков. В рамках этого исследования и другой работы лаборатория Пракаша регулярно возвращается в Peggy's Bench.
"Несмотря на то, что это место было для меня случайным открытием, мы работаем над несколькими проектами в лаборатории, которые были вдохновлены тем, что мы собрали прямо здесь", сказал Пракаш, стоя на краю болото. «Эта работа - лишь один из примеров многих скрытых жемчужин, которые мы можем найти, выходя за пределы лаборатории - и буквально любой, у кого есть простые скромные инструменты, такие как Foldscope, может обнаружить и начать исследование."
В ближайшем будущем Пракаш планирует провести обширное исследование биоразнообразия на болоте, где они собирают Spirostomum, которое будет включать в себя установку прямой видеотрансляции водного мира их объектов с помощью микроскопа и привлечение студентов бакалавриата для изучения этого болотистое поле.