Vissa arter av euglenider, en diversifierad familj av vattenlevande encelliga organismer, kan utföra stor amplitud, elegant koordinerade kroppsdeformationer. Även om detta beteende har varit känt i århundraden, dess funktion är fortfarande mycket omdiskuterad.

Forskare vid SISSA, National Institute of Oceanography and Applied Geophysics (OGS), Scuola Superiore Sant'Anna och Universitat Politècnica de Catalunya har nyligen genomfört en studie som undersöker motiliteten hos Euglena Gracilis, en Euglenid, särskilt i sin reaktion på instängdhet. I deras studie, publicerad i Naturfysik , de undersökte svaren från simning Euglena gracilis i miljöer med kontrollerad trängsel och geometri.

"De koordinerade rörelserna med stor amplitud av Euglena-celler, kallas metaboli, har beskrivits i århundraden, och fortfarande i dag fascinerar mikrobiologer, biofysiker och amatörmikroskopister, " Marino Arroyo, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Så vitt vi vet, inga andra encelliga organismer kan röra sig med sådan elegans och koordination. Än, hur och varför de gör det är ett mysterium. Nyfikenhet var det som drev oss att studera Euglenas motilitet."

De stora amplituderna och de koordinerade kroppsdeformationerna som observerats i Euglena kallas vanligtvis "euglenoid rörelse, ' eller 'metabolism.' Metabolism varierar mycket mellan arter och ibland även inom en art, allt från en rundning och mjuk böjning eller vridning till periodiska och mycket samordnade peristaltiska vågor som färdas längs cellkroppen.

"Bland biofysiker, metabolism ansågs vara ett sätt att simma i en vätska, var dessa celler bor, " sa Arroyo. "Men, protistologer är inte övertygade av denna funktion för metabolism, eftersom Euglena kan simma väldigt snabbt och slå deras flagellum, liksom många andra celltyper. Istället, den dominerande uppfattningen är att metabolism är en funktionslös rest som är "ärvd" från förfäder som använde cellkroppsdeformationer för att uppsluka stora byten. Titta på celler som utför en så vacker och koordinerad dans, vi trodde inte att det tjänade något syfte. Vår studie började som ett försök att underbygga en sådan icke-vetenskaplig magkänsla."

Utspädda kulturer av Euglena-celler simmar vanligtvis med deras flagellum och utan att ändra sin kroppsform. Arroyo och hans kollegor, dock, observerade att allt eftersom tiden gick och vätskan under mikroskopet förångades, deras kultur blev mer trångt och celler började utveckla metabolism.

"Inspirerad av dessa observationer och amatörvideor på YouTube, vi antog att celldeformationerna kunde utlösas av kontakt med andra celler eller gränser i en trång miljö, och att under dessa förhållanden, metabolism kan vara användbart för att krypa, istället för att simma, "Antonio de Simone, en annan forskare som är involverad i studien, berättade för Phys.org. "Att bekräfta denna hypotes var anmärkningsvärt lätt. Så snart vi lätt tryckte celler mellan två glasytor, eller drev in dem i tunna kapillärer, de började systematiskt utföra metabolism, vilket resulterade i den snabbaste genomsökningen av alla celltyper, så vitt vi vet, " lade Giovanni Noselli till, studiens första författare.

När de väl hade testat den här hypotesen, forskarna började jämföra krypbeteendet de observerade i Euglena med djurcellers, för vilka ett större antal studier för närvarande finns tillgängliga. Tidigare studier har observerat att djurceller som kryper i ett tunt rör tenderar att trycka mot dess väggar för att röra sig framåt och övervinna motståndet från vätskan i röret.

"Vi fann att tack vare deras peristaltiska deformationer, Euglena kan trycka antingen på väggarna eller på vätskan för att gå framåt, gör metabolismen till ett anmärkningsvärt robust sätt för begränsad rörelse, "De Simone sa. "De kan faktiskt röra sig genom att tränga undan väldigt lite vätska i ett "smygande" framdrivningsläge, och de kan inte stoppas även om det hydrauliska motståndet i kapillären ökas avsevärt."

I deras experiment, Arroyo, De Simone, Noselli och deras kollega Alfred Beran märkte att Euglena-celler kunde anpassa sin gång till olika grader av instängdhet. För att utföra detta beteende, cellerna kan använda ett sensoriskt system för att upptäcka sin omgivande miljö och någon form av intern informationsbehandling för att anpassa sin aktivitet efter graden av inneslutning.

Forskarna fann denna förklaring förbryllande, dock, särskilt eftersom Euglena är enstaka celler utan nervsystem. För att bättre förstå hur en enda Euglena-cell kan styra ett så anpassningsbart och robust rörelsesätt, Arroyo och hans kollegor beräkningsmodellerade den rörliga apparaten av Euglena-celler, som i huvudsak är ett tvärstrimmigt cellhölje.

"Vi undrade om deras aktiva kuvert, kallas en pellicle, ansvarig för celldeformationer, skulle mekaniskt anpassa sig själv till varierande mekaniska förhållanden, " sa Arroyo. "För att undersöka detta, vi utvecklade en beräkningsmodell som visar att följsamheten hos materialen och molekylära motorer som utgör Euglenas aktiva hölje kunde förklara denna anpassningsförmåga, som inom robotik kallas mekanisk eller förkroppsligad intelligens."

Arroyo och hans kollegor samlade fascinerande observationer om kroppsdeformationerna hos några Euglenider, antyder att detta beteende kan, i vissa fall, utlösas av förlossning. Förutom att visa en funktion av metabolism, deras studie etablerade en ny kategori av cellulära sökrobotar, som är särskilt snabba, robust och anpassningsbar.

"Om det är så fördelaktigt att krypa genom ämnesomsättning, man kan undra varför den inte är bevarad bland andra arter, "Sade Arroyo. "Svaret är att det kräver ett invecklat maskineri, höljet, vilket är ett tvärstrimmigt hölje gjord av elastiska remsor sammankopplade med molekylära motorer. Denna selektivt deformerbara yta ligger någonstans mellan den stela väggen av växtceller och vätskehöljet av djurceller. Bortom biologi, vi tror att de underliggande fysiska/geometriska principerna som möjliggör formförändringar av detta hölje kan tillämpas på konstgjorda system, t.ex. inom mjuk robotik."

Den beräkningsmodell som utvecklats av Arroyo och hans kollegor kunde äntligen belysa funktionen hos vitt dokumenterade euglenoida rörelser. Deras resultat tyder på att dessa organismers gånganpassningsförmåga inte kräver specifik mekanokänslig feedback, utan snarare kan förklaras av den mekaniska självregleringen av ett elastiskt och utökat motorsystem.

I deras senaste studie, forskarna identifierade framgångsrikt en funktion av och funktionsprinciperna bakom den anpassningsbara kroppsdeformationen av Euglena-celler. De planerar nu att ytterligare undersöka de cellulära mekanismerna genom vilka metabolism utlöses och genom vilka cellulära deformationer fortplantar sig.

"Vi planerar att undersöka metabolismen mellan olika arter av Euglena, ”, sade DeSimone. ”Preliminära observationer avslöjar olika smaker av metabolism. Vi arbetar också med att bygga konstgjorda material och enheter inspirerade av Euglena-cellernas aktiva och deformerbara hölje".

© 2019 Science X Network