این موجود کوچک می تواند در عرض میلی ثانیه تا یک چهارم اندازه خود کوچک شود

یک موجود آبزی کوچک که فقط از یک سلول ساخته شده است، می تواند بدن خود را به یک چهارم طول اولیه خود در کمتر از پنج میلی ثانیه فشرده کند، صدها برابر سریعتر از چشمک زدن یک فرد. اکنون دانشمندان مکانیسم غیرعادی پشت این حرکت قابل توجه را شناسایی کرده اند.

ارگانیسم، Spirostomum ambiguum، متکی بر یون های کلسیم و یک شبکه پروتئینی تخصصی است که مانند تور ماهی مرتب شده است. این سیستم به آن اجازه می‌دهد خیلی سریع‌تر از ماهیچه‌های انسان منقبض شود، و محققان می‌گویند این کشف در نهایت می‌تواند به توسعه ماهیچه‌های مصنوعی سریع‌تر و ماشین‌های سلولی مصنوعی کمک کند.

Spirostomum ambiguum یک مژک تک سلولی غول‌پیکر است که به خاطر حاشیه مژک‌های مویی که برای شنا از آن استفاده می‌کند، نام‌گذاری شده است. در بین مژک داران، به دلیل توانایی خود در انقباض تقریبا 100 طول بدن در ثانیه و سپس تکرار سریع حرکت برجسته است. دانشمندان فکر می کنند این رفتار ممکن است به ارگانیسم کمک کند تا از شکارچیان فرار کند یا با دیگر مژک داران ارتباط برقرار کند.

فیبرهای عضلانی انسان می توانند به نسبت های مشابه کوتاه شوند، اما این روند حدود 10 برابر بیشتر طول می کشد. این تفاوت، Spirostomum را به ویژه برای محققانی که می‌خواهند ماشین‌هایی را که سرعت فوق‌العاده آن را ممکن می‌سازد، درک کنند، جالب کرده است.

مری التینگ، دانشیار بیوفیزیک در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی و نویسنده همکار این کار می‌گوید: «تفاوت بین آنچه که Spirostomum می‌تواند انجام دهد و آنچه ما می‌توانیم انجام دهیم، به چیزی که انقباض را نیرو می‌دهد، و ماشینی که پشت آن به نظر می‌رسد برمی‌گردد. اگر بتوانیم این فرآیندها را درک کنیم، می‌تواند به ما کمک کند تا سیستم‌های مصنوعی بسازیم که سرعت و قدرت این ارگانیسم تک سلولی را تقلید می‌کنند.»

با استفاده از میکروسکوپ الکترونی و ایمونوفلورسانس، تیم تحقیقاتی Spirostomum را با جزئیات بررسی کردند. آنها دریافتند که یون‌های کلسیم انقباض را آغاز می‌کنند، در حالی که ساختار غیرمعمول تور ماهی‌مانند این حرکت را انجام می‌دهد.

بر خلاف حیوانات، موجودات تک سلولی مانند Spirostomum فیبرهای عضلانی ندارند. در عوض، آنها حاوی ساختارهای فیبری به نام میونم هستند. این ساختارها از پروتئین های اتصال دهنده کلسیم centrin و Sfi1 ساخته شده اند.

در Spirostomum، میونم ها شبکه ای به شکل تور ماهی در اطراف خارج ارگانیسم تشکیل می دهند. هنگامی که انقباض شروع می شود، این شبکه به سمت داخل سفت می شود و سپس به پیکربندی اولیه خود باز می گردد.

التینگ می گوید: «هندسه تور ماهی منحصر به فرد است زیرا به Spirostomum اجازه می دهد به طور یکنواخت منقبض شود، که از اندامک های داخلی (نسخه های تک سلولی اندام ها) محافظت می کند در حالی که به سرعت حرکت می کند. "این کار می کند زیرا پروتئین Sfi1 در myoneme می تواند از سفت به انعطاف پذیر تبدیل شود. Sfi1 در حضور یون های کلسیم سفتی خود را از دست می دهد و مانند یک توپ اسپاگتی مرطوب جمع می شود که باعث می شود تور ماهی محکم شود و ارگانیسم کوچک شود."

ماهیچه های انسان از آدنوزین تری فسفات یا ATP برای ذخیره و آزادسازی انرژی مورد نیاز برای انقباض استفاده می کنند. به نظر می رسد که Spirostomum بر فرآیندی اساسا متفاوت متکی است.

التینگ می گوید: «مقایسه نحوه انقباض ماهیچه های ما با عملکرد Spirostomum مانند مقایسه گاز با نیروی الکتریکی است. ATP تحت یک تغییر شیمیایی قرار می‌گیرد و مانند بنزین «سوخته» می‌شود، در حالی که یون‌های کلسیم مانند یک جریان الکتریکی عمل می‌کنند، اگرچه ما هنوز نمی‌دانیم ولتاژی که جریان را شروع می‌کند چیست، یا چگونه «تنظیم مجدد» می‌شود تا انقباض دوباره اتفاق بیفتد.»

این توانایی برای تنظیم مجدد یکی از سوالات اصلی بی پاسخ باقی مانده است. اکنون محققان می خواهند با دقت بیشتری تعیین کنند که چگونه کلسیم باعث انقباض می شود و چگونه ارگانیسم خود را برای تکرار این فرآیند آماده می کند.

التینگ می‌گوید: «ما انتظار داریم واکنش‌های تحریک‌شده با کلسیم «یک شات» باشد، اما Spirostomum می‌تواند این کار را مکررا انجام دهد. درک این جنبه‌های حرکت آن، کلید ساختن یک عضله مصنوعی با حرکت سریع و مستقل از ATP است.

این یافته‌ها می‌تواند سرنخ‌های مفیدی را برای مهندسانی فراهم کند که به دنبال ساخت ماهیچه‌های مصنوعی هستند که بدون وابستگی به ATP سریع حرکت می‌کنند. محققان امیدوارند با درک اینکه چگونه Spirostomum مکررا سیستم انقباض مبتنی بر کلسیم خود را تحریک و بازنشانی می کند، اصولی را که می تواند برای دستگاه های مصنوعی تطبیق داده شود، کشف کنند.

این تحقیق در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم منتشر شده است و توسط بنیاد ملی علوم با شماره های جایزه 1935260، 2313722، 2313724، 1935262، 1817334، 2313727 و 2313725 و توسط مؤسسه های ملی بهداشت NIGMS حمایت شده است. R35GM130327 و R35GM142588.

نویسندگان همکار این اثر، آرون دینر، استاد شیمی در دانشگاه شیکاگو هستند. جری هانتز، استاد زیست شناسی مارشال و جودیت فلاپان در دانشگاه دریک؛ و سعد بهملا، دانشیار مهندسی شیمی و بیولوژیکی در دانشگاه کلرادو در بولدر.

سایر مشارکت کنندگان ایالت NC عبارتند از Ph.D. دانشجو و نویسنده اول جوزف لانان و دستیار پژوهشی پروفسور پیتر تامپسون. کارلوس فلوید و سوریانارایانان وایکونتاناتان از دانشگاه شیکاگو؛ L.X. Xu از موسسه فناوری جورجیا؛ و کانی یان و والاس مارشال از دانشگاه کالیفرنیا سانفرانسیسکو نیز به این کار کمک کردند.

مواد ارائه شده توسط دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی. نوشته اصلی توسط تریسی پیک. توجه: محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شود.

مومیایی های انباشته شده 700 سال تغییر آیین های دفن در مصر باستان را فاش می کنند

دانشمندان فعالیت میکروبی پنهان قبلی روی پوست انسان را کشف کردند

دانشمندان پروانه ای را کشف کردند که به نظر می رسد به سختی پیر می شود

"چسب" درون پروتون ها ممکن است راز هویت ماده را حفظ کند