Kaareva rypistyminen origami ja topologiset singulaarisuudet mahdollistavat L. olorin hyperextensiteetin

Yksisoluiset protistit osoittavat huomattavan muotojen monimuotoisuuden ja suorittavat laajan valikoiman toimintoja, mukaan lukien elävän saaliin metsästys dynaamisissa ympäristöissä.Lacrymaria olor, saalistusleikkaus, metsästää saaliinsa käynnistämällä kaulamaisen proboscis, joka voi palauttaa palautuvasti yli 30 -kertaisesti sen alkuperäisen rungon pituuden<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.

Protisteilla on merkittäviä strategioita menestyäkseen melkein kaikissa planeettamme ekologisissa markkinarakoissa, syvänmerestä jokivirtoihimme. Vaikka muodon ja toiminnan välinen suhde on biologisten tutkimusten kallioperä, meillä on edelleen huono käsitys protistien räjähtävän morfologisen monimuotoisuuden selittämisestä. Soveltamalla geometrian linssiä tutkimme muodon ja funktion välistä yhteyttä ikonisessa, muodonmuutosproteistissa,L. Olor, jonka tiedetään vangitsevan saaliin ultraäänen kaulamaisen proboscisin dynamiikan kautta. Erilaisten huippuluokan kuvantamistyökalujen myötä kartoimme solun solun, kuten aivokuoren sytoskeleton ja tämän solun kalvoarkkitehtuurin, erilaisissa morfologisissa tiloissa, mukaan lukien supistunut ja laajennettu tila. Koska geometria on asteikon vapaa, kytketyn sytoskeletal-membraaniarkkitehtuurin olennaiset piirteet voidaan kaapata skaalatussa fyysisessä origami-mallissa. Tässä työssä osoitamme, kuinka tämän geometrian topologiset singulaarisuudet voivat hallita solun fyysistä muutosta. Kaulamaisen ulkoneman käyttöönotto solu -asteikon origamin kautta on yksi suurimmista venymä- ja pidennysnopeuksista, joita havaitaan yhdessä solussa.

Vertailimme yhden solun morfodynamiikan suurinta tunnettua kanta- ja venymisnopeutta ja tunnistettiinL. OlorPoikkana. Korkean resoluution kuvantamisella havaitsimme, että tätä lineaarista laajennusta tukee aivokuoren sytoskeleton kierteinen arkkitehtuuri, joka koostuu mikrotubuluskaistaista, jotka on kerrostettu useisiin kerroksiin, jotka muodostavat kalvon laskoset. Tämä erityinen geometria tallentaa sekä membraani- että mikrotubulusfilamentit, jotka ovat tarpeen pitkän proboscisin nopeaan käyttöönottoon, muodostaen kaarevan rypistyksen origamin. Terävää siirtymää taitettujen ja taitettujen tilan välillä tässä kaarevassa rypistymisessä origamissa säädetään kahden topologisen singulaarisuuden läsnäololla: "D-kartio" (kehittyvä kartio) ja mikrotubuluskaistan "kierre singulaarisuus". Rakensimme myös tämän origamin skaalatun mallin paljastaaksemme, kuinka D-kartanon ja kierteen läpiveden kytketty dynamiikka johtaa tämän käyttöön käytettävän origamin ei-olosuhteisiin (kelautumiseen). Työmme paljastaa, kuinka solu voi käyttää topologisia singulaarisuuksia solun komponenttien käyttöönottoa hallitakseen ja käyttäytymisen hallinnan ruumiillistuneen luonteen geometrian kautta tässä silaatissa.

Koska viimeaikaiset tutkimukset korostavat edelleen protistien tärkeitä ekologisia rooleja, on tullut kriittistä ymmärtää monimutkaisen käyttäytymisen alkuperä näissä merkittävissä yksittäisissä soluissa. Näiden solujen geneettisen monimuotoisuuden kartoittamiseen on tehty paljon vaivaa, mutta tiedämme silti hyvin vähän morfologisesta (geometrisesta) monimuotoisuudesta ja sen toiminnasta koko protisteissa. Kartoittamalla sytoskeletonin solun geometriaL. Olor, paljasimme äärimmäisen morfingkäyttäytymisen geometrisen hallinnan yhdessä solussa. Elävänä esimerkkinä mikrotubulusten kuvioidusta kaarevasta rypistyksestä origamista, syvempi ymmärryksemme tästä rakenteesta avaa uusia ovia sytoskeletonpohjaisten biologisesti suunnitellujen materiaalien synteesiä varten, jolla on muunnotettavia ominaisuuksia, kuten käyttöönotto. Työmme tarjoaa myös suoraa inspiraatiota käyttöönotettaville mikrobobotiikoille ja kevyelle avaruusarkkitehtuurille. Suunnitelmat, joita olemme etsineet agentuurien ja upotetun hallinnan tuomiseksi mikrobobotiikkaan, saattavat olla piilossa näkyvissä protistien geometrisessa monimuotoisuudessa.