Jerzy Blawzdziewicz, professor, biträdande ordförande och chef för forskarutbildningen vid institutionen för maskinteknik, och Siva Vanapalli, en docent och Bill Sanderson fakultetsstipendiat vid Institutionen för kemiteknik vid Texas Tech Universitys Edward E. Whitacre Jr. College of Engineering, hade sin forskningsuppsats, "Rullmanövrar är nödvändiga för aktiv omorientering av Caenorhabditis elegans i 3D-media, " nyligen publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ).

C. elegans, en en millimeter rundmask, är en kraftfull modellorganism som används i undersökningar av grundläggande biologiska processer som bevaras över arter. Forskare runt om i världen mäter rörelsebeteendet hos denna nematod för att få insikter i olika studieområden som genetiska mutationer, muskelbiologi, neural kontroll av rörelse och utvärdering av näring, träning och drogeffekter.

De flesta forskningsresultat med hjälp av rörelseavläsningar har baserats på tvådimensionella (2-D) beskrivningar av nematodrörelsen. I laboratorier, C. elegans odlas vanligtvis på en agargelyta, och 2D-modeller ger en mängd användbar information. Dock, några av maskens beteenden, som att gräva och simma, kräver en tredimensionell (3D) undersökningsmetod.

Dessutom, i sin naturliga livsmiljö, som är fuktig, sönderfaller organiskt material, nematoden rör sig i en komplex 3D-miljö. Än, hittills har det inte gjorts några omfattande kvantitativa studier av maskens 3D-gång.

I deras papper, Blawzdziewicz, Vanapalli och deras team identifierade och kvantifierade nyckelmanövrar som nematoden använder för att utforska 3D-rymden. Deras forskningssamarbete baserades på de viktiga bidragen från två doktorander inom maskinteknik, Alejandro Bilbao och Amar Patel, som fick teoretiska resultat, och från en kemiteknisk postdoktor, Mizanur Rahman, som utförde experimenten.

"Vi tittar på hur detta lilla djur rör sig i sin miljö och vilken typ av manövrar det utför, " sa Blawzdziewicz. "I 2D, nematoden driver sin kropp med hjälp av sidleds vågningar och svänger genom att tillfälligt öka vågformningsamplituden på ena sidan. Vi har funnit att, att omorientera sig i 3D, nematoden utför en rullmanöver, som liknar en flygplans akrobatisk rulle. Djuret roterar effektivt runt sin banas axel (utför 3D-delen av dess rörelse), återupptar sedan 2-D-varv i ett nytt vågformningsplan. Vi har registrerat detta nya beteendemönster och teoretiskt analyserat dess effektivitet, frekvens och betydelse."

Genomet av C. elegans var det första helt sekvenserade, och nematodens nervsystem är helt kartlagt. Detta hjälper till i forskningsstudier eftersom det nu är den bästa djurmodellen för olika sjukdomar.

Den korta dräktigheten och åldringsperioden för C. elegans är en annan fördel med att använda djuret.

"Det är en genomskinlig mask, så att du kan se igenom det, som har sina fördelar, och varje djur lägger cirka 300 ägg, " Sa Vanapalli. "Varje djur lever i ungefär tre veckor, så på den korta tiden, du kan övervaka ett stort antal nematoder. Om du tänker på åldringsstudier, vilket är ett av områdena Jerzy och jag är intresserade av, ett stort mål är att förstå vilka genetiska mutationer och vilka läkemedel som kan förbättra neuromuskulär hälsa när djuret åldras. En mus lever i två år, så det är väldigt lång tid att spåra, ett mycket långt experiment. Men här, det är tre veckor.

"Vi avser att använda vår 3-D-rörelseanalys för att karakterisera hälsan hos nerv- och muskelsystem i åldrande maskar. 3-D-metoden är ett känsligare verktyg jämfört med att utvärdera C. elegans rörelse i 2-D."

Undersökningarna av forskargruppen Texas Tech utgör redan en ny, viktig och öppen fråga om hur 3D-kroppsställningar som är involverade i rullmanövrar påverkas av, väsentligen, ett tvådimensionellt nätverk av neurala anslutningar.

C. elegans har fyra rader med muskler längs kroppen, så aktivering i vilken riktning som helst bör vara möjlig. Dock, motorneuroner i större delen av kroppen har symmetriska kopplingar till antingen ventrala eller dorsala muskler, och på grund av dessa symmetriska anslutningar, det anses allmänt att C. elegans inte kan aktivera 3D-rörelser, utom i huvuddelen av kroppen.

"Vår analys visar att hela nematodkroppen är kapabel till 3D-rörelser, Blawzdziewicz sa. "Frågan uppstår alltså hur motorneuronen kopplad till två muskler kan skicka olika signaler för att framkalla asymmetrisk respons i dessa muskler."

Forskningen finansierades av National Science Foundation, National Institutes of Health och NASA.

En av simuleringarna som visar geometrin och mekaniken för 2D-svängar och 3D-rullmanövrar vid simning visas nedan.