(PhysOrg.com) -- Cilia, små hårliknande strukturer som utför prestationer som att rensa mikroskopiskt skräp från lungorna och bestämma den korrekta placeringen av organ under utveckling, röra sig på mystiska sätt. Deras slagrörelser är synkroniserade för att producera metakrona vågor, liknande utseende som "vågen" skapad på stora arenor när publikmedlemmar använder sina händer för att producera ett rörelsemönster runt hela stadion.

På grund av ciliärfunktionernas betydelse för hälsan, det finns ett stort intresse för att förstå mekanismen som styr flimmerhårens slagmönster. Men att lära sig exakt hur flimmerhårens rörelse koordineras har varit utmanande.

Det kan börja förändras som ett resultat av skapelsen, av ett team av Brandeis-forskare, av konstgjorda flimmerhår-liknande strukturer som dramatiskt erbjuder ett nytt tillvägagångssätt för studier av flimmerhår.

I en ny tidning publicerad i tidningen Vetenskap , Docent i fysik Zvonimir Dogic och kollegor presenterar det första exemplet på ett enkelt mikroskopiskt system som självorganiserar sig för att producera flimmerhår-liknande slagmönster.

"Vi har visat att det finns ett nytt sätt att studera misshandeln, säger Dogic. "Istället för att dekonstruera den fullt fungerande strukturen, vi kan börja bygga komplexitet från grunden.”

Komplexiteten hos dessa strukturer utgör en stor utmaning eftersom varje cilium innehåller mer än 600 olika proteiner. Av denna anledning, de flesta tidigare studier av flimmerhåren har använt en top-down-metod, försök att studera slagmekanismen genom att dekonstruera de fullt fungerande strukturerna genom systematisk eliminering av enskilda komponenter.

Det tvärvetenskapliga teamet bestod av fysikstudenten Timothy Sanchez och biokemistudenten David Welch som arbetade med biologen Daniela Nicastro och Dogic. Deras experimentella system bestod av tre huvudkomponenter:mikrotubuli filament - små ihåliga cylindrar som finns i både djur- och växtceller, motorproteiner som kallas kinesin, som förbrukar kemiskt bränsle för att röra sig längs mikrotubuli och ett buntningsmedel som inducerar sammansättning av filament till buntar.

Sanchez och kollegor fann att under en speciell uppsättning förhållanden organiseras dessa mycket enkla komponenter spontant i aktiva buntar som slår på ett periodiskt sätt.

Förutom att observera slagen av isolerade buntar, forskarna kunde också sätta ihop ett tätt fält av buntar som spontant synkroniserade deras slagmönster till resande vågor.

Självorganiserande processer av många slag har nyligen blivit ett fokus för fysikgemenskapen. Dessa processer sträcker sig i skala från mikroskopiska cellulära funktioner och svärmar av bakterier till makroskopiska fenomen som flockning av fåglar och trafikstockningar. Sedan kontrollerbara experiment med fåglar, folkmassor på fotbollsarenor och trafik är praktiskt taget omöjliga att genomföra, experimenten som beskrivits av Sanchez och kollegor skulle kunna fungera som en modell för att testa ett brett spektrum av teoretiska förutsägelser.

Dessutom, reproduktionen av en sådan väsentlig biologisk funktionalitet i ett enkelt system kommer att vara av stort intresse för områdena cellulär och evolutionär biologi, säger Dogic. Resultaten öppnar också en dörr för utvecklingen av ett av nanoteknologins stora mål - att designa ett objekt som kan simma självständigt.