Rytmiska mönster och exakta rörelser - det här är nyckelelement för korrekt simning. Olympiater visar upprepade andningsmönster, med synkroniserat huvud, ben- och armrörelser, enthrallande åskådare och framkallande applåder för rekordstora steg. Jämförbara demonstrationer av detta mönsterrepetition och energianvändning kan också ses hos en mikroskopisk simmare - amoeboidcellen.

Cellsimningsformerna är nu förutsägbara till nya precisionsnivåer tack vare avancerad 3D-modellering. Forskarna Eric J. Campbell och Prosenjit Bagchi, från avdelningen för mekanisk och rymdteknik vid Rutgers University, skapat en 3D-modell av en amöba som tränar pseudopoddriven simning. Forskningen kommer att visas på omslaget till denna månads nummer av Vätskans fysik .

Amoeboidceller har unikt flexibla cytoskeletoner, utan fast form. De kan dra ihop och expandera sitt skelettsystem samtidigt som de ändrar konsistensen av deras cytoplasma, plasma som omger cellens organeller. Amoeboidceller är också distinkta med sin kapacitet för pseudopoddriven rörlighet. Pseudopoder, betyder falska fötter, är utskott av cellkroppen som kan växa, dela eller dra tillbaka för att ge rörelse. Pseudopodrörelsen är mer komplex än de flesta skulle förvänta sig. Det bygger på biomolekylära reaktioner, celldeformation och rörelse av både cytoplasma och extracellulär vätska.

"I denna forskning, vi kombinerade en toppmodern modell för celldeformation med intra- och extracellulär vätskerörelse, och proteinbiokemi med användning av en dynamisk mönsterbildningsmodell, "Sa Campbell." Vi använde sedan parallella superdatorer för att förutsäga cellens rörelse, och studerade dess beteende genom att variera celldeformerbarhet, vätskeviskositet, och proteindiffusivitet. "

Amoeboida celler uppvisar en enkelriktning vid simning med en motsvarande förändring av pseudopoddynamiken, orsakas av att utsprång blir allt vanligare på framsidan av cellen. Denna enkelriktning orsakas sannolikt av en ökad simhastighet på grund av den fokuserade orienteringen. Med hjälp av datormodelsimuleringar, forskarna studerade cell simning genom att variera proteindiffusivitet, membranelasticitet och cytoplasmatisk viskositet.

Noggrann modellering av amoeboidcellsimning innebar ett antal utmaningar. "Modellen behövde kunna lösa deformation i tredimension med hög noggrannhet och utan numerisk instabilitet, "Sa Campbell. Proteinbiokemi, som skapar lokkraften, måste kopplas till modellen. Flytande rörelse måste också övervägas. "De intra- och extracellulära vätskorna kan ha olika egenskaper, och modellen måste ta hänsyn till sådana skillnader. "

Dessa olika parametrar integrerades för att optimera cellrörelsemodellering, tillhandahålla nya, mer exakt information om rörelsemekanismerna. Amoeboida celler som visar denna pseudopoddrivna rörlighet kan ge insikter i många biologiska processer. Enligt Campbell, rörligheten observeras också under embryonal utveckling, sårläkning, immunsvar av vita blodkroppar, och metastatiska cancerceller.