Zakrivené záhyby origami a topologické singularity umožňujú hyperextenzita L. olor

Jedno-bunkové protisty vykazujú pozoruhodnú rozmanitosť foriem a vykonávajú širokú škálu funkcií vrátane lovu živej koristi v dynamických prostrediach.Lacrymaria Olor, dravá ciliate, loví svoju korisť tým, že spustí krk, ktorá môže reverzibilne predĺžiť viac ako 30 -násobok svojej pôvodnej dĺžky tela<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.

Protisti vykazujú pozoruhodné stratégie, ktoré sa im darí takmer vo všetkých ekologických výklenkoch na našej planéte, od hlbokého mora po naše rieky. Aj keď vzťah medzi formou a funkciou je základom biologických štúdií, stále máme zlé porozumenie, pokiaľ ide o vysvetlenie výbušnej morfologickej diverzity protistov. Aplikáciou šošovky geometrie sme preskúmali spojenie medzi formou a funkciou v ikonickom, tvarovanom protistovi,L. Olor, o ktorej je známe, že zachytáva korisť prostredníctvom dynamiky ultragonálnej proboscisu podobnej krku. S príchodom rôznych špičkových zobrazovacích nástrojov sme zmapovali subcelulárne komponenty, ako je kortikálny cytoskelet a architektúra membrány tejto bunky zachytenej v rôznych morfologických stavoch, vrátane kontrahovaného a rozšíreného stavu. Pretože geometria neobsahuje mierku, základné vlastnosti spojenej architektúry cytoskeletálnej membrány sa môžu zachytiť v modeli zväčšeného fyzického origami. V tejto práci demonštrujeme, ako topologické singularity v tejto geometrii môžu kontrolovať fyzickú transformáciu bunky. Nasadenie krku podobného vyčnievania prostredníctvom origami z bunkovej stupnice je jednou z najväčších rýchlosti kmeňa a predlžovania pozorovanej v jednej bunke.

Porovnali sme najväčšie známe rýchlosti kmeňov a kmeňov v jednej bunke morfodynamiky a identifikovali sme saL. Olorako odľahlý. Pri zobrazovaní s vysokým rozlíšením sme zistili, že toto lineárne rozšírenie je podporované špirálovou architektúrou kortikálneho cytoskeletu zloženého z pásov mikrotubulov vrstvených vo viacerých vrstvách tvoriacich membránové záložky. Táto konkrétna geometria ukladá membránové aj mikrotubulové vlákna potrebné na rýchle nasadenie dlhej proboscis, čím tvorí origami zakriveného záhybu. Ostrý prechod medzi zloženým a rozvinutým stavom v tomto zakrivenom záhybnom bunkovom origami je riadený prítomnosťou dvoch topologických jednotiek: „D-Kone“ (vyvinuteľný kužeľ) a „singularita“ pásma mikrotubulov. Postavili sme tiež rozšírený model tohto origami, aby sme odhalili, ako spojená dynamika D-Cone a Twist Traversal vedie k neoslickej povahe (cievky) tohto nasaditeľného origami. Naša práca odhaľuje, ako topologické singularity možno použiť bunkou na kontrolu nasadenia subcelulárnych komponentov a odhaľuje stelesnenú povahu kontroly správania sa geometriou v tomto ciliáte.

Keďže nedávne štúdie naďalej zdôrazňujú dôležité ekologické úlohy protistov, stalo sa rozhodujúce porozumieť pôvodu komplexného správania v týchto pozoruhodných jednotlivých bunkách. Na mapovanie genetickej diverzity týchto buniek sa vynaložilo veľké úsilie, ale stále vieme veľmi málo o morfologickej (geometrickej) diverzite a jej funkcii v protistoch všeobecne. Mapovaním subcelulárnej geometrie cytoskeletuL. Olor, odhalili sme geometrickú kontrolu extrémneho morfovacieho správania v jednej bunke. Ako živý príklad origami zakriveného záhybov s mikrotubulami, naše hlbšie pochopenie tejto štruktúry otvára nové dvere pre syntézu bioinžinierskych materiálov na báze cytoskeletu s transformateľnými charakteristikami, ako je nasadenie. Naša práca tiež poskytuje priamu inšpiráciu pre nasaditeľnú mikrorobotiku a architektúru vesmíru s ľahkou hmotnosťou. Plátky, ktoré sme hľadali, aby sme priniesli agentúru a zabudovanú kontrolu v mikrorobotike, by sa mohli skryť v očiach v geometrickej diverzite protistov.