Более трех столетий назад пионер микроскопии Антони ван Левенгук был поражен крошечными существами, которых он нашел в капле воды из близлежащего пруда. Особенно его поразило поведение клеток эвглены. Эти одноклеточные организмы проводят большую часть своего времени, делая то же, что и большинство их сверстников: плавают, взмахивая жгутиками. Однако иногда Эвглена выполняет гармонично скоординированные деформации клеточного тела большой амплитуды в поведении, известном как метаболизм. Почему эти клетки повторяют эту элегантную гимнастику, уже озадачивавшую ван Левенгука и остающуюся загадкой сегодня.
На этой неделе в журнале Nature Physics группа исследователей из SISSA и OGS в Триесте, Scuola Superiore Sant'Anna в Пизе и Политехнического университета Каталонии в Барселоне показывает, что метаболизм позволяет Эвглене удивительно быстро ползать в узких местах.. Эта функция может стать источником вдохновения для новых инженерных приложений в передовой области мягкой робототехники.
Изучение движений с помощью математического моделирования
Антонио Де Симоне, профессор SISSA и Sant'Anna, и Марино Арройо, профессор Политехнического университета Каталонии и аффилированный исследователь IBEC, были заинтригованы перемещениями Эвглены около десяти лет назад. красивые любительские видео на Youtube. Сначала они попытались понять их с помощью математического моделирования. «Мы поняли механизм, с помощью которого Эвглена использует свою сложную активную оболочку для исполнения своего своеобразного танца, но центральный вопрос о том, почему они это делают, не давал нам покоя», - говорит Марино Арройо. Биологи, изучающие эвглену, сходятся во мнении, что метаболизм - это бесфункциональный пережиток, унаследованный в ходе эволюции от предков, использовавших его для поедания крупной добычи. «Однако это объяснение нас не убедило: метаболизм выглядел слишком целеустремленным и элегантным, чтобы быть пережитком прошлого», - утверждает Антонио Дезимоне..
Самая быстрая сканирующая ячейка
«Предыдущие исследования и наблюдения показали, что метаболизм может быть полезен для передвижения в людных местах или в узких местах», - отмечает Джованни Нозелли, первый автор исследования и исследователь в SISSA. Он объединился с Альфредом Бераном, биологом из OGS, для культивирования клеток эвглены. Когда он поместил их во все более узкие пробирки в лаборатории SAMBA в SISSA, чтобы изучить их реакцию на изоляцию, Джованни Нозелли заметил, что изоляция запускает метаболизм и, что более важно, его функция становится очевидной. «Клетки ползали с удивительной элегантностью и эффективностью, примерно на одну длину тела каждые десять секунд, намного быстрее, чем самые быстро ползающие клетки животных», - говорит Джованни Нозелли. Сочетая экспериментальные наблюдения, теоретические и расчетные модели, авторы показали, что перистальтические деформации тела метаболически позволяют клеткам эвглены толкать либо ограничивающие стенки, либо окружающую их жидкость для движения вперед.
Исследователи этого исследования взволнованы влиянием, которое их физический подход может оказать на биологию. Исследование выявляет различные варианты метаболизма у разных видов Euglena в зависимости от их способности к передвижению. «Теперь биологи могут задать вопрос о том, как эти разные стили вписываются в эволюционную историю эвглены. Что еще более интригующе, теперь мы знаем, что эвглена - это одноклеточный ползающий организм, способный двигаться с чрезвычайной эффективностью в замкнутых средах. Однако если или когда эти клетки использовать эту способность в естественной среде остается неясным», - говорит Антонио Дезимоне.
От биологии к робототехнике
Помимо биологии, авторы считают, что исследование может вдохновить на новые технологии.«Активная оболочка Эвглены, состоящая из тонких спиралевидных эластичных полос, соединенных молекулярными моторами, выглядит как чудо инженерной мысли», - говорит Марино Арройо. Исследование показывает, что клетки управляют им в соответствии с принципом «воплощенного интеллекта», новой парадигмы, согласно которой мягкий робот может надежно реагировать на изменяющиеся и сложные запросы, используя свою гибкость, а не полагаясь на сложные сенсоры и вычисления. По словам Антонио Дезимоне, «мягкие роботы, вдохновленные Эвгленой, могут быть разработаны в будущем для перемещения в сложных и ограниченных условиях, включая почву, мусор или человеческое тело».