I sina tidigaste skeden, långt innan det spirar sina signaturbihang, liknar ett sjöstjärnembryo en liten pärla som snurrar genom vattnet som ett miniatyrkullager.

Nu har MIT-forskare observerat att när flera sjöstjärnembryon snurrar upp till vattenytan, dras de till varandra och samlas spontant till en överraskande organiserad, kristallliknande struktur.

Ännu mer nyfiken är att denna kollektiva "levande kristall" kan uppvisa udda elasticitet, en exotisk egenskap där snurrandet av enskilda enheter – i det här fallet embryon – sätter igång mycket större krusningar över hela strukturen.

Forskarna fann att denna porlande kristallkonfiguration kan bestå under relativt långa tidsperioder innan den löses upp när enskilda embryon mognar.

"Det är helt anmärkningsvärt - dessa embryon ser ut som vackra glaspärlor, och de kommer upp till ytan för att bilda denna perfekta kristallstruktur", säger Nikta Fakhri, Thomas D. och Virginia W. Cabot Career Development Associate Professor of Physics vid MIT. "Som en flock fåglar som kan undvika rovdjur, eller flyga smidigare eftersom de kan organisera sig i dessa stora strukturer, kanske denna kristallstruktur kan ha några fördelar som vi inte är medvetna om ännu."

Bortom sjöstjärnor, säger hon, kan denna självmonterande, porlande kristallsammansättning användas som en designprincip, till exempel för att bygga robotar som rör sig och fungerar kollektivt.

"Föreställ dig att bygga en svärm av mjuka, snurrande robotar som kan interagera med varandra som dessa embryon," säger Fakhri. "De skulle kunna utformas för att självorganisera sig för att krusa och krypa genom havet för att göra användbart arbete. Dessa interaktioner öppnar upp ett nytt utbud av intressant fysik att utforska."

Fakhri och hennes kollegor har publicerat sina resultat i en studie som visas idag i Nature .

Snurrar tillsammans

Fakhri säger att lagets observationer av sjöstjärnas kristaller var en "serendipitous upptäckt." Hennes grupp har studerat hur sjöstjärnembryon utvecklas, och specifikt hur embryonala celler delar sig i de allra tidigaste stadierna.

"Sjöstjärnor är ett av de äldsta modellsystemen för att studera utvecklingsbiologi eftersom de har stora celler och är optiskt transparenta", säger Fakhri.

Forskarna observerade hur embryon simmar när de mognar. När de väl har befruktats växer embryona och delar sig och bildar ett skal som sedan spirar små hårstrån, eller flimmerhår, som driver ett embryo genom vattnet. Vid en viss punkt koordinerar flimmerhåren för att snurra ett embryo i en viss rotationsriktning, eller "kiralitet". Tzer Han Tan, en av gruppmedlemmarna, märkte att när embryon simmade upp till ytan fortsatte de att snurra mot varandra.

"En gång i tiden samlades en liten grupp och liksom dansade runt", säger Fakhri. "Och det visar sig att det finns andra marina organismer som gör samma sak, som vissa alger. Så, tyckte vi, det här är spännande. Vad händer om du sätter ihop många av dem?"

I sin nya studie befruktade hon och hennes kollegor tusentals sjöstjärnembryon och tittade sedan på när de simmade till ytan av grunda rätter.

"Det finns tusentals embryon i en skål, och de börjar bilda den här kristallstrukturen som kan växa sig mycket stor", säger Fakhri. "Vi kallar det en kristall eftersom varje embryo är omgivet av sex intilliggande embryon i en hexagon som upprepas över hela strukturen, mycket lik kristallstrukturen i grafen."

Jigglande kristaller

To understand what might be triggering embryos to assemble like crystals, the team first studied a single embryo's flow field, or the way in which water flows around the embryo. To do this, they placed a single starfish embryo in water, then added much smaller beads to the mix, and took images of the beads as they flowed around the embryo at the water's surface.

Based on the direction and flow of the beads, the researchers were able to map the flow field around the embryo. They found that the cilia on the embryo's surface beat in such a way that they spun the embryo in a particular direction and created whirlpools on either side of the embryo that then drew in the smaller beads.

Mietke, a postdoc in Dunkel's applied mathematics group at MIT, worked this flow field from a single embryo into a simulation of many embryos, and ran the simulation forward to see how they would behave. The model produced the same crystal structures that the team observed in its experiments, confirming that the embryos' crystallizing behavior was most likely a result of their hydrodynamic interactions and chirality.

In their experiments, the team also observed that once a crystal structure had formed, it persisted for days, and during this time spontaneous ripples began to propagate across the crystal.

"We could see this crystal rotating and jiggling over a very long time, which was absolutely unexpected," she says. "You would expect these ripples to die out quickly, because water is viscous and would dampen these oscillations. This told us the system has some sort of odd elastic behavior."

The spontaneous, long-lasting ripples may be the result of interactions between the individual embryos, which spin against each other like interlocking gears. With thousands of gears spinning in crystal formation, the many individual spins could set off a larger, collective motion across the entire structure.

The researchers are now investigating whether other organisms such as sea urchins exhibit similar crystalline behavior. They are also exploring how this self-assembling structure could be replicated in robotic systems.

"You can play with this design principle of interactions and build something like a robotic swarm that can actually do work on the environment," she says. + Utforska vidare

Researchers build embryo-like structures from human stem cells

This story is republished courtesy of MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), a popular site that covers news about MIT research, innovation and teaching.