Triplettutbyte kontra applicerat magnetfält för olika reaktions- och spinrelaxationshastigheter för en enkel modell av ett radikalpar. I denna modell är en av radikalerna kopplad till en kärna med en hyperfin kopplingskonstant på 1 mT. För olika värden på hastigheterna kan man se en uttalad dipp nära nollfältet, tillsammans med ett maximum nära värdet på det geomagnetiska fältet (cirka 0,05 mT). Kredit:Journal of The Royal Society Interface (2022). DOI:10.1098/rsif.2022.0264
Cilia är små, hårliknande strukturer på celler i hela våra kroppar som tjänar en mängd olika funktioner, inklusive att rensa våra luftvägar, cirkulera cerebrospinalvätska i våra hjärnor och transportera ägg i äggledarna. Även om forskare förstår deras funktion, förstår de inte helt hur de genererar de specialiserade rörelserna för att utföra dessa funktioner.
Ett team av forskare vid McKelvey School of Engineering vid Washington University i St. Louis, ledd av Louis Woodhams, universitetslektor, och Philip V. Bayly, Lee Hunter Distinguished Professor och ordförande för Institutionen för Mechanical Engineering &Materials Science, utvecklade en ny matematisk modell av cilium som slår på grund av en mekanisk instabilitet som kallas "fladder" som uppstår under konstanta krafter som genereras av motorproteinet dynein. Denna fladderinstabilitet på mikroskalan liknar aerodynamiskt fladder i större system, vilket ledde till den välkända kollapsen av Tacoma Narrows Bridge, och förekommer även i flygplansvingar och turbinblad.
Resultaten av forskningen dök upp på omslaget till augustinumret av Journal of the Royal Society Interface .
Cilia slår på olika sätt:flagellumet som finns på svansen av en spermiecell trycker vätska symmetriskt, medan andra typer av cilia drar asymmetriskt, liknande en simmares bröstsimsrörelse. Ytterligare andra, såsom flimmerhår i den embryonala noden, rör sig i en cirkulär eller virvlande rörelse.
"Vi skapade en anpassad finita element-modell som gör att vi effektivt kan utforska modellens parameterutrymme och ge oss ett porträtt av systemets beteende", säger Woodhams, första författare till tidningen. "Denna modell kan användas för att förklara symmetriska, asymmetriska och 3D-slagande former av flimmerhår."
Teamet byggde en modell som har sex filament på utsidan och en på insidan som var en approximation av strukturen av det flagella axonemet, bunten av mikrotubuli som utgör den centrala kärnan av ett cilium. Eftersom många proteinstrukturer i axonemet är för små för att mäta deras egenskaper direkt, tillät den matematiska modellen dem att utforska hur koppling mellan enskilda filament skulle påverka slagfrekvens och form.
"Med den här modellen kan vi prova olika dyneinkraftstorlekar och olika styvheter hos de interna strukturerna," sa Woodhams. "Att försöka simulera systemet med kommersiell programvara kan ta timmar att lösa ett system. Med detta tillvägagångssätt kan vi lösa tusentals parameterpunkter och få en ögonblicksbild av systemets beteende över många olika punkter."
Baylys labb har arbetat med cilia som modell för att studera vibrationer, vågrörelser och instabilitet i mekaniska och biomedicinska system. Den nya forskningen bygger på tidigare arbete genom att möjliggöra effektiv egenvärdesanalys, som kännetecknar slagfrekvens och form, i en multifilamentmodell av axonemet med hjälp av skräddarsydda finita elementmatriser. Modellen inkluderar en ny matematisk representation av dyneinmotorproteinet som balanserar inre krafter och moment exakt när axonemet deformeras.
"Louies modell är ett stort bidrag till fältet. Den visar noggrant och tydligt att en mekanisk fladderinstabilitet kan ligga bakom flimmerhårens slag - ett av de mest allmänt förekommande och viktiga biofysiska fenomenen i naturen," sa Bayly. + Utforska vidare
