Buet krøll origami og topologiske singulariteter muliggjør hyperextensibility av L. Olor

Enkellede protister viser et bemerkelsesverdig mangfold av former og utfører et bredt spekter av funksjoner, inkludert jakt levende byttedyr i dynamiske miljøer.Lacrymaria Olor, et rovvilt ciliate, jakter byttet sitt ved å sette i gang en halslignende proboscis som kan reversibelt utvide mer enn 30 ganger sin opprinnelige kroppslengde i<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.

Protister viser bemerkelsesverdige strategier for å trives i nesten alle økologiske nisjer i planeten vår, fra dyphavet til elvestrømmene våre. Selv om forholdet mellom form og funksjon er berggrunnen til biologiske studier, har vi fortsatt en dårlig forståelse når det gjelder å forklare det eksplosive morfologiske mangfoldet av protister. Ved å bruke en linse geometri, utforsket vi koblingen mellom form og funksjon i en ikonisk, formskiftende protist,L. Olor, som er kjent for å fange byttedyr gjennom dynamikken i en ultralong halslignende proboscis. Med bruk av forskjellige nyskapende avbildningsverktøy, kartla vi subcellulære komponenter som det kortikale cytoskjelett- og membranarkitekturen i denne cellen fanget i forskjellige morfologiske tilstander, inkludert en kontrakt og en utvidet tilstand. Fordi geometri er skalafri, kan de essensielle trekkene i den koblede cytoskeletal-membranarkitekturen fanges opp i en oppskalert fysisk origamimodell. I dette arbeidet demonstrerer vi hvordan topologiske singulariteter i denne geometrien kan kontrollere fysisk transformasjon av en celle. Utplasseringen av en halslignende fremspring gjennom cellulær skala origami er en av de største belastningene og forlengelseshastighetene observert i en enkelt celle.

Vi sammenlignet største kjente belastnings- og belastningsrater i encellemorfodynamikk og identifiserteL. Olorsom en outlier. Med høyoppløselig avbildning oppdaget vi at denne lineære forlengelsen støttes av en spiralformet arkitektur av det kortikale cytoskjelettet sammensatt av mikrotubulebånd lagdelt i flere lag som danner membranplissene. Denne spesielle geometrien lagrer både membran- og mikrotubulusfilamenter som er nødvendige for rask distribusjon av en lang proboscis, og danner en buet krøll origami. Den skarpe overgangen mellom den brettede og utfoldede tilstanden i denne buede krøllen cellulær origami styres av tilstedeværelsen av to topologiske singulariteter: en "d-cone" (utviklelig kjegle) og en "twist singularitet" av mikrotubulebåndet. Vi bygde også en oppskalert modell av denne origamien for å avsløre hvordan den koblede dynamikken i D-Cone og Twist Traversal fører til den ikke-affine naturen (spolen) av denne utplasserbare origamien. Arbeidet vårt avslører hvordan topologiske singulariteter kan brukes av en celle for å kontrollere distribusjon av subcellulære komponenter og opphever den legemliggjorte naturen til kontroll av atferd gjennom geometri i dette ciliatet.

Ettersom nyere studier fortsetter å synliggjøre viktige økologiske roller til protister, har det blitt kritisk å forstå opprinnelsen til kompleks atferd i disse bemerkelsesverdige enkeltcellene. Det har blitt lagt ned mye innsats for å kartlegge det genetiske mangfoldet av disse cellene, men vi vet fremdeles veldig lite om det morfologiske (geometriske) mangfoldet og dets funksjon hos protister for øvrig. Ved å kartlegge den subcellulære geometrien til cytoskjelettet avL. Olor, Vi avdekket geometrisk kontroll av ekstrem morfende atferd i en enkelt celle. Som et levende eksempel på en mikrotubulus-mønstret buet krøll origami, åpner vår dypere forståelse av denne strukturen nye dører for syntese av cytoskjelettbaserte bioingeniørmaterialer med transformerbare egenskaper som distribusjon. Arbeidet vårt gir også direkte inspirasjon for distribusjonsformig mikrorobotika og lett romarkitektur. Tegningene vi har lett etter for å bringe byrå og innebygd kontroll i mikrorobotika kan være skjult i tydelig syn i det geometriske mangfoldet av protister.