Specialiserade trådiga vätskor flödar genom de mänskliga lederna och hjälper till att bilda ämnen som slem. Dessa vätskor innehåller långa, flexibla molekyler som polymerer eller proteiner, ger dem möjlighet att töja och absorbera stötar.

Dock, forskare har ännu inte fullt ut förstått hur dessa gåtfulla vätskor interagerar med småskaliga biologiska strukturer. Strukturer av särskilt intresse är flimmerhår-små hårliknande utsprång fästa vid cellmembranet, som böljas för att utföra funktioner som att rensa föroreningar ur luftvägarna. Dessa vätske-struktur-interaktioner är viktiga för att förstå exakt hur cilia rör sig för att utföra sina biologiska uppgifter. Dock, dessa interaktioner sker i så liten skala att de har varit svåra att studera experimentellt.

Nu, forskare vid enheten Micro/Bio/Nanofluidics vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har identifierat några nyckelfunktioner för hur dessa så kallade viskoelastiska vätskor flyter runt cilia. Viskoelastiska vätskor är viskösa, som melass, liksom stretchig. Studien, publicerad i Små , föreslår att det är vätskornas elasticitet som driver den mönstrade rörelsen av cilia, säger forskarna.

In i världen för de ytterst små

För att skapa sitt experiment, forskarna ihåliga mikrokanaler i smält kiseldioxidglas. Dessa kanaler innehöll antingen en eller två flexibla cylindriska stolpar fästa vid ena sidan av kanalen, som representerade cilia.

Forskarna använde sedan sprutpumpar för att driva en viskoelastisk lösning genom glasmikrokanalerna med en exakt kontrollerad hastighet. Den experimentella vätskan innehöll maskliknande miceller (även kallade levande polymerer), som är mikronstora flexibla strukturer som efterliknar rörelsen av biologiska molekyler som finns i människokroppsvätskor.

Forskarna gjorde en serie mätningar, med hjälp av tre separata kraftfulla mikroskop med olika optiska tekniker för att fånga beteendet och egenskaperna hos vätskan när den interagerade med stolparna.

Först, forskarna använde en metod som kallades mikropartikelbildshastighet för att registrera vätskans hastighet när den flödade runt stolparna. De observerade att vätskan företrädesvis rörde sig runt ena sidan av stolparna, lämnar praktiskt taget stillastående vätska på andra sidan. Vid vissa flödeshastigheter, dock, vätskan på den stationära sidan började rinna i en ryckig rörelse.

När vätska rörde sig, inlägget började svänga. "En viktig aspekt av studien var vår förmåga att noggrant spåra de resulterande svängningarna av inläggen som en funktion av tiden med hjälp av höghastighetsvideomikroskopi, "sa Dr Simon Haward, gruppledaren för enheten.

Med en metod som kallas höghastighetspolariserat ljusmikroskopi kunde de också spåra regionerna runt de cylindriska stolparna där maskliknande miceller sträckte sig elastiskt, och för att korrelera mängden töjning med stolparnas position.

När du interagerar med vätskan, två stolpar som ligger nära varandra började svänga i nästan perfekt synkronisering, tyder på att vätskeelasticiteten förmedlar synkron strykning av cellens cilia, säger forskarna.

"Stolparnas synkrona tidsdynamik överförs helt och hållet av själva vätskan, "sa Dr. Cameron Hopkins, studiens första författare. "Dock, detta händer bara under specifika förhållanden. Om vi ​​ökar flödeshastigheten och därmed påverkan av vätskans elasticitet, då tappar vi oscillationernas regelbundenhet och det blir oregelbundet. "

Utveckla nya biologiska modeller

Går vidare, forskarna hoppas kunna studera hur förändring av flexibiliteten och avstånden mellan de cylindriska stolparna kommer att påverka deras beteende. Hopkins och hans kollegor hoppas också kunna upprepa experimentet i ett större system med upp till tjugo cylindriska stolpar för att efterlikna en rad cilia.

"Vår nuvarande experimentella inställning är en idealiserad geometri - naturligtvis, verkliga biologiska system är mycket mer komplicerade, "sade professor Amy Shen, chef för enheten för mikro/bio/nanofluidik. "Denna nuvarande modell är en språngbräda till något mer komplext och mer biologiskt relevant."

Forskarna hoppas att ytterligare forskning kommer att hjälpa till att belysa fysiken hos de mycket små - och kanske ge insikt i de dynamiska rörelser som sker i våra celler.