Zakřivená záhybka origami a topologické singularity umožňují hyperextenzibilitu L. olor

Jednobulové protistry vykazují pozoruhodnou rozmanitost forem a dosahují široké škály funkcí, včetně lovu živé kořisti v dynamickém prostředí.Lacrymaria Olor, dravá ciliáta, loví svou kořist vypuštěním krku proboscis, který může reverzibilně prodloužit více než 30násobek původní délky těla v<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.

Protisté vykazují pozoruhodné strategie, jak se daří téměř ve všech ekologických výklencích na naší planetě, od hlubokého moře po naše řeky. Ačkoli vztah mezi formou a funkcí je základem biologických studií, stále máme špatné porozumění, pokud jde o vysvětlení výbušné morfologické rozmanitosti protistů. Použitím čočky geometrie jsme prozkoumali spojení mezi formou a funkcí v ikonickém, shapeshiftingovi Protistovi,L. Olor, o kterém je známo, že zachycuje kořist prostřednictvím dynamiky ultralegnického krku proboscis. S příchodem různých špičkových zobrazovacích nástrojů jsme mapovali subcelulární komponenty, jako je kortikální cytoskelet a membránová architektura této buňky zachycené v různých morfologických stavech, včetně smluvního a rozšířeného stavu. Vzhledem k tomu, že geometrie je bez stupnice, lze v modelu zmenšeného fyzického origami zachytit základní rysy spojené architektury cytoskeletální membrány. V této práci demonstrujeme, jak topologické singularity v této geometrii mohou kontrolovat fyzickou transformaci buňky. Nasazení krku podobného výčnělku prostřednictvím origami buněčného měřítka je jedním z největších rychlostí napětí a prodloužení pozorované v jedné buňce.

Srovnali jsme největší známé rychlosti napětí a deformace v jednobuněčné morfodynamice a identifikovali jsmeL. Olorjako odlehlé. Při zobrazování s vysokým rozlišením jsme zjistili, že toto lineární prodloužení je podporováno helikální architekturou kortikálního cytoskeletu složeného z mikrotubulových pásů vrstvených ve více vrstvách tvořících membránové záhyby. Tato konkrétní geometrie ukládá jak vlákna membrány, tak mikrotubuly nezbytná pro rychlé nasazení dlouhého proboscis a tvoří zakřivený origami záhybů. Ostrý přechod mezi složeným a rozvinutým stavem v tomto zakřiveném záhybu buněčné origami je řízen přítomností dvou topologických singularit: „d-cone“ (vývojový kužel) a „twist singularity“ mikrotubulového pásma. Rovněž jsme vytvořili zmenšený model tohoto origami, abychom odhalili, jak spojená dynamika D-Cone a Twist Traversal vede k neffinové povaze (zařazení) tohoto nasanutelného origami. Naše práce odhaluje, jak topologické singularity mohou být použita buňkou pro kontrolu nasazení subcelulárních složek a odkrývá ztělesněnou povahu kontroly chování prostřednictvím geometrie v tomto ciliátu.

Vzhledem k tomu, že nedávné studie nadále zdůrazňují důležité ekologické role protistů, je důležité pochopit původ složitého chování v těchto pozoruhodných jednotlivých buňkách. Bylo vynaloženo velké úsilí na mapování genetické rozmanitosti těchto buněk, ale stále víme jen velmi málo o morfologické (geometrické) rozmanitosti a její funkci u protistů obecně. Mapováním subcelulární geometrie cytoskeletuL. Olor, odkryli jsme geometrickou kontrolu nad extrémním morfováním v jedné buňce. Jako živý příklad mikrotubule-vzorovaného zakřiveného záhybu origami otevírá naše hlubší porozumění této struktuře pro syntézu biologických materiálů na bázi cytoskeletu s transformovatelnými charakteristikami, jako je nasazení. Naše práce také poskytuje přímou inspiraci pro nasakovatelnou mikrorobotiku a lehkou kosmickou architekturu. Plány, které jsme hledali, abychom přinesli agenturu a zabudovanou kontrolu v mikrorobotice, by mohly být skryty v geometrické rozmanitosti protistů na dohled.