Ритмичные рисунки и точные движения - вот ключевые элементы правильного плавания. Олимпийцы демонстрируют повторяющиеся модели дыхания с синхронизированными движениями головы, ног и рук, приводя в восторг зрителей и вызывая аплодисменты за рекордные темпы. Сопоставимые демонстрации повторения этого паттерна и использования энергии можно также увидеть у микроскопического пловца - амебоидной клетки.
Формы плавающих клеток теперь предсказуемы с новым уровнем точности благодаря расширенному трехмерному моделированию. Исследователи Эрик Дж. Кэмпбелл и Просенджит Багчи с факультета машиностроения и аэрокосмической техники Университета Рутгерса создали трехмерную модель амебы, практикующей плавание с помощью псевдоножек. Исследование будет опубликовано на обложке номера журнала Physics of Fluids за этот месяц от AIP Publishing.
Амебоидные клетки имеют уникально гибкий цитоскелет, не имеющий заданной формы. Они могут сжимать и расширять свою скелетную систему, одновременно изменяя консистенцию своей цитоплазмы, плазмы, окружающей клеточные органеллы. Амебоидные клетки также отличаются своей способностью к подвижности, управляемой псевдоподами. Псевдоподы, что означает ложные ноги, представляют собой выступы тела клетки, которые могут расти, разделяться или втягиваться, чтобы обеспечить передвижение. Движение псевдоподов сложнее, чем можно было бы ожидать. Он основан на биомолекулярных реакциях, деформации клеток и движении как цитоплазмы, так и внеклеточной жидкости.
«В этом исследовании мы объединили современную модель деформации клеток с внутри- и внеклеточным движением жидкости и биохимию белка, используя модель формирования динамического паттерна», - сказал Кэмпбелл. «Затем мы использовали параллельные суперкомпьютеры, чтобы предсказать движение клетки, и изучили ее поведение, изменяя деформируемость клетки, вязкость жидкости и диффузию белка».
Амебоидные клетки демонстрируют однонаправленность при плавании с соответствующим изменением динамики псевдоподий, вызванным тем, что выступы становятся более распространенными в передней части клетки. Эта однонаправленность, вероятно, вызвана повышенной скоростью плавания из-за сфокусированной ориентации. Используя компьютерное моделирование, исследователи изучали плавание клеток, варьируя диффузию белков, эластичность мембран и вязкость цитоплазмы.
Точное моделирование плавания амебоидных клеток вызвало ряд проблем. «Модель должна была иметь возможность определять деформацию в трех измерениях с высокой точностью и без какой-либо численной нестабильности», - сказал Кэмпбелл. Белковая биохимия, создающая двигательную силу, должна была быть связана с моделью. Также необходимо учитывать движение жидкости. «Внутри- и внеклеточные жидкости могут иметь разные свойства, и модель должна учитывать такие различия».
Эти различные параметры были интегрированы для оптимизации моделирования клеточной локомоции, предоставляя новую, более точную информацию о механизмах локомоции. Амебоидные клетки, демонстрирующие эту управляемую псевдоподами подвижность, могут дать представление о многих биологических процессах. Согласно Кэмпбеллу, подвижность также наблюдается во время эмбрионального развития, заживления ран, иммунного ответа лейкоцитов и метастатических раковых клеток.