Представьте себе сцену в клубе - вышибала на бархатной веревке выбирает, какие люди попадают в клуб. Это, как объясняет Ева Кансо, профессор машиностроения в Инженерной школе Университета Южной Калифорнии в Витерби, заключается в том, что реснички делают в организме. Кансо применила аналогию, чтобы объяснить свою новую статью «Подвижные реснички создают жидкостно-механические микросреды для активного рекрутирования микробиома хозяина», написанную в соавторстве с исследователями из Тихоокеанского исследовательского центра биологических наук Гавайского университета в Маноа и из Стэнфорда. чтобы объяснить активную роль, которую реснички играют в обеспечении того, чтобы определенные бактерии не попадали в организм, в то время как другим симбиотическим бактериям выборочно разрешается проникать внутрь.
В статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, описывается роль гидромеханики в проникновении симбиотических бактерий в организм и усилении химической связи между симбионтом и организмом-хозяином. Результаты противоречат предыдущим исследованиям, в которых предполагалось, что реснички играют исключительно «функцию очистки». Они могли бы пролить свет на роль ресничек, размером с одну сотую человеческого волоса, в дыхательной системе человека и даже в репродуктивной системе и мозге. Их результаты могут также дать представление о том, как дисфункция ресничек в органах влияет, например, на легочные заболевания или бесплодие (как реснички помогают сперматозоидам достигать яиц).
Чтобы узнать о том, как реснички могут работать в организме человека, Кансо в сотрудничестве с экспертом по симбиозу Макфолл-Нгаи и экспертом по биологическим жидкостям Жанной Наврот изучили кальмара-куцехвоста. Исследователи изучили, как эти кальмары на стадии зарождения позволяют симбиотическим бактериям Vibrio Fischeri проникать в их реснитчатые световые органы, которые играют решающую роль в маскировке чернильных мешков полупрозрачного организма, когда они охотятся за едой ночью. Ученые хотели узнать: почему эта бактерия получает доступ и почему все бактерии не могут накапливаться в световом органе кальмара? Кроме того, они стремились объяснить, какова роль ресничек в разрешении доступа, если таковая имеется?
Кансо и Макфолл-Нгай с ведущими авторами Жанной Наврот, главным исследователем Emulate Inc, и Ханляном Го, аспирантом лаборатории Кансо в Университете Южной Калифорнии, поместили кальмара под микроскоп, а затем подвергли его воздействию воды, содержащей вибрион Бактерии Фишери. Процесс имитировал то, что происходит в природе: бактерии оказались в правильном месте внутри световых органов кальмаров. Чтобы определить, были ли реснички пассивными или активными в этом процессе, исследователям нужно было понять, заплыли ли бактерии в чернильный мешок или на самом деле им помогали другие структуры и процессы внутри кальмара-хозяина. Затем исследователи повторили тот же эксперимент без живых бактерий, но с частицами того же размера, что и бактерии, а именно с диаметром в один микрон. Они обнаружили, что частицы накапливаются в одном и том же месте, демонстрируя, что в организме хозяина (кальмара) действует физический механизм. Затем вторая фаза эксперимента включала более крупные частицы (около 4 микрон). Можно было бы предположить, что более крупные частицы будут иметь большую вероятность контакта со световым органом, но этого не произошло. Это указывало на то, что прямой перехват не был доминирующим механизмом захвата частиц и что в нем участвовал какой-то другой фактор. Исследователи решили изучить роль потока жидкости, создаваемого ресничками, в фильтрации частиц.
В ходе дальнейших исследований Кансо и Наврот обнаружили, что вихревой или «бубликоподобный» поток, создаваемый ресничками, отбрасывал большинство частиц. Роль движения жидкости в фильтрации частиц по размеру была проверена с использованием основанной на физике математической модели, разработанной Кансо и Го. Кансо описывает роль ресничек как «механические ворота»."
Затем исследователи нанесли на карту реснитчатую поверхность всего светового органа и поле потока, которое он генерирует. Одним из основных открытий было то, что два разных типа ресничек осуществляют два различных потока. Более длинные реснички движутся «волнообразно», что создает вихревое поле потока, фильтрующее частицы, а затем более короткие реснички, которые беспорядочно бьются, удерживают частицы на месте и мягко перемешивают локальный поток. Это случайное движение ресничек и смешивание жидкости усиливают химическую защиту бактерий. Чтобы еще больше доказать важную роль, которую играют реснички, исследователи также обнаружили, что если реснички «убить», частицы будут накапливаться повсюду в организме.
Кансо и ее сотрудники в настоящее время разрабатывают микрожидкостную платформу для проверки реакции Vibrio Fischeri на отчетливые потоки и химические сигналы, подаваемые реснитчатым световым органом хозяина. Эта платформа будет использоваться в качестве исследовательского инструмента для изучения относительной важности каждого из этих сигналов в привлечении бактерий к реснитчатым поверхностям.