Origami curbate și singularități topologice permit hiperextensibilitatea lui L. Olor

Protiții cu un singur celulare prezintă o diversitate remarcabilă de forme și realizează o gamă largă de funcții, inclusiv vânătoare de pradă vie în medii dinamice.Lacrymaria Olor, un ciliat prădător, își vânează prada lansând un proboscis de gât care poate extinde reversibil de peste 30 de ori lungimea inițială a corpului în<30 s and perform this task repeatably (more than 20,000 times in its life cycle). Such large-scale morphodynamics-an ability to shapeshift in real time-can be quantified by the large strain and strain rate seen in a single cell. Fundamental limits of morphodynamics and how geometry encodes behavior in single cells remain largely unknown.

Protitorii prezintă strategii remarcabile pentru a prospera în aproape toate nișele ecologice din planeta noastră, de la marea adâncă până la fluxurile noastre. Deși relația dintre formă și funcție este baza studiilor biologice, avem totuși o înțelegere slabă atunci când vine vorba de explicarea diversității morfologice explozive a protiștilor. Prin aplicarea unei lentile de geometrie, am explorat legătura dintre formă și funcție într -un protist iconic, care se schimbă,L. Olor, despre care se știe că captează prada prin dinamica unui proboscis de gât ultralong. Odată cu apariția diferitelor instrumente de imagistică de ultimă oră, am cartografiat componente subcelulare, cum ar fi citoscheletul cortical și arhitectura membranei acestei celule prinse în diferite stări morfologice, inclusiv o stare contractată și extinsă. Deoarece geometria nu este la scară, caracteristicile esențiale ale arhitecturii cu membrană citoscheletică cuplată pot fi surprinse într-un model de origami fizic la scară. În această lucrare, demonstrăm modul în care singularitățile topologice din această geometrie pot controla transformarea fizică a unei celule. Desfășurarea unei proeminențe de gât prin origami la scară celulară este una dintre cele mai mari viteze de tulpină și extensie observate într -o singură celulă.

Am comparat cele mai mari rate de tulpini și tulpini cunoscute în morfodinamica cu o singură celulă și am identificatL. Olorca un anterior. Cu imagini de înaltă rezoluție, am descoperit că această extensie liniară este susținută de o arhitectură elicoidală a citoscheletului cortical compus din benzi de microtubule stratificate în mai multe straturi care formează pliuri cu membrană. Această geometrie particulară stochează atât filamentele de membrană, cât și microtubulele necesare pentru desfășurarea rapidă a unui proboscis lung, formând un origami curbat. Tranziția accentuată între starea pliată și desfășurată în acest origami celular cu cute curbate este controlată de prezența a două singularități topologice: un „d-d-d” (con de dezvoltabil) și o „singularitate de răsucire” a benzii de microtubule. Am construit, de asemenea, un model de scară a acestui origami pentru a dezvălui modul în care dinamica cuplată a d-con-d și răsucirea traversării duce la natura nonafină (spooling) a acestui origami implementabil. Lucrarea noastră dezvăluie modul în care singularitățile topologice pot fi utilizate de o celulă pentru a controla implementarea componentelor subcelulare și dezvăluie natura întruchipată a controlului comportamentului prin geometrie în acest ciliat.

Pe măsură ce studiile recente continuă să evidențieze roluri ecologice importante ale protiștilor, a devenit esențial să înțelegem originile comportamentului complex în aceste celule unice remarcabile. S -a depus mult efort pe cartografierea diversității genetice a acestor celule, dar încă știm foarte puțin despre diversitatea morfologică (geometrică) și despre funcția sa la protiști în general. Prin cartografierea geometriei subcelulare a citoscheletuluiL. Olor, am descoperit controlul geometric al comportamentului de morfare extremă într -o singură celulă. Ca un exemplu viu al unui origami curbat cu cute curbate cu microtubuli, înțelegerea noastră mai profundă a acestei structuri deschide noi uși pentru sinteza materialelor bioinginerate pe bază de citoschelet, cu caracteristici transformabile, cum ar fi implementarea. Lucrarea noastră oferă, de asemenea, inspirație directă pentru microrobotică și arhitectură spațială ușoară. Planurile pe care le -am căutat pentru a aduce agenția și controlul încorporat în microrobotică ar putea fi ascunse la vedere în diversitatea geometrică a protiștilor.