Ученые из США разгадали тайну того, как хищная инфузория Lacrymaria olor растягивает свою «шею» более чем в 30 раз по сравнению с первоначальной длиной тела, отчего она становится похожа на персонажа шотландского фольклора — лох-несское чудовище. Открытие исследователей поможет в разработке крошечных медицинских роботов, которые найдут применение в микрохирургии.
Lacrymaria olor — одноклеточный организм, хищная инфузория длиной примерно 100 микрометров. Она живет в пресной воде и охотится на свою добычу с помощью похожего на шею пищевого аппарата, который может удлиняться на 1,2 миллиметра менее чем за 30 секунд. За свою относительно короткую жизнь этот микроорганизм способен растягивать «шею» более 20 тысяч раз.
Каким образом этот микроорганизм вытягивает «шею» на такую большую длину, оставалось загадкой с XVI века, то есть с тех пор, как ученые впервые увидели хищную инфузорию под микроскопом.
Американский биофизик Элиотт Флаум (Eliott Flaum) из Стэнфордского университета и ее коллега Ману Пракаш (Manu Prakash), наконец, разобрались с этим вопросом. Они исследовали образцы Lacrymaria olor, которые собрали во время одной из экспедиций семь лет назад, и выявили в субклеточных компонентах изогнутый компонент, очень похожий на структуру оригами и позволяющий инфузории быстро изменять форму «шеи». О результатах исследования ученые рассказали в статье, опубликованной в журнале Science.
В своей работе Флаум и ее коллега использовали комбинацию методов визуализации в реальном времени, конфокальной и просвечивающей электронной микроскопии. Эти методы помогли ученым получить изображение внешней структуры Lacrymaria olor, клеточной мембраны, и внутреннего цитоскелета, состоящего из микротрубочек. Выяснилось, что клеточная мембрана инфузории сложена в 15 «складок», каждая из которых закручивается вокруг клетки, образуя спиралевидную структуру.
Но как Lacrymaria olor удлиняет и сужает эту область клеточной мембраны, не запутываясь при этом? Все «складки» остаются устойчивыми благодаря полосам микротрубочек, которые связаны с ними. Такая «складка» разворачивается (сворачивается) не сразу целиком, а по частям: разворачивается либо сворачивается только одна точка перегиба на «складе».
Когда точки перегиба располагаются параллельно друг другу на каждой из 15 «складок», клеточная мембрана упорядоченно разворачивается, в результате чего «шея» инфузории удлиняется более чем в 30 раз по сравнению с первоначальной длиной тела микроорганизма. Обратный процесс приводит к укорачиванию «шеи», она возвращается в исходное положение.
По словам ученых, растягивания и скручивания происходят благодаря бьющимся волоскам, или ресничкам, которые покрывают всю поверхность клетки. Для этого хоть и требуется энергия, но ее нужно совсем немного, поскольку клеточные мембраны легко сгибаются.
Сейчас Пракаш и Флаум работают над созданием медицинских роботов, использующих «технику разгибания» Lacrymaria olor. В частности, речь идет о миниатюрных устройствах, которые смогут быстро удлиняться в узком пространстве. Такие роботы были бы чрезвычайно полезны в микрохирургии.