Многочисленные движения ресничек

Реснички — это крошечные, похожие на волоски структуры на клетках по всему телу, которые выполняют множество функций, включая очистку дыхательных путей, циркуляцию спинномозговой жидкости в нашем мозгу и транспортировку яйцеклеток по фаллопиевым трубам. Хотя исследователи понимают их функцию, они не до конца понимают, как они генерируют специализированные движения для выполнения этих функций.

Группа исследователей Инженерной школы Маккелви Вашингтонского университета в Сент-Луисе под руководством Луи Вудхэмса, старшего преподавателя, и Филипа В. Бейли, заслуженного профессора Ли Хантера и заведующего кафедрой машиностроения и материаловедения, разработала новая математическая модель реснички, которая бьется из-за механической нестабильности, называемой «трепетание», которая возникает под действием постоянных сил, создаваемых моторным белком динеином. Эта нестабильность флаттера в микромасштабе аналогична аэродинамическому флаттеру в более крупных системах, который привел к известному обрушению моста Такома-Нарроуз, а также встречается в крыльях самолетов и лопастях турбин.

Результаты исследования появились на обложке августовского номера журнала Журнал интерфейса Королевского общества.

Реснички бьются по-разному: жгутик на хвосте сперматозоида выталкивает жидкость симметрично, в то время как другие типы ресничек тянут асимметрично, подобно брассу пловца. Третьи, такие как реснички в эмбриональном узле, движутся круговыми или вихревыми движениями.

«Мы создали пользовательскую модель конечных элементов, которая позволяет нам эффективно исследовать пространство параметров модели и дает нам портрет поведения системы», — сказал Вудхэмс, первый автор статьи. «Эта модель может быть использована для объяснения симметричных, асимметричных и трехмерных биений ресничек».

Команда построила модель с шестью нитями снаружи и одной внутри, которая была приближенной к структуре жгутиковой аксонемы, пучка микротрубочек, составляющих центральное ядро ​​реснички. Поскольку многие белковые структуры в аксонеме слишком малы, чтобы напрямую измерить их свойства, математическая модель позволила им изучить, как сцепление между отдельными филаментами повлияет на частоту и форму биений.

«С этой моделью мы могли бы попробовать разные величины силы динеина и разные жесткости. внутренние структуры, — сказал Вудхэмс. — Попытка смоделировать систему с помощью коммерческого программного обеспечения может занять несколько часов для решения одной системы. При таком подходе мы можем решить тысячи точек параметров и получить моментальный снимок поведения системы во многих разных точках».

Лаборатория Бейли работала с ресничками в качестве модели для изучения вибрации, волнового движения и нестабильности в механических и биомедицинских системах. Новое исследование основано на предыдущей работе, обеспечивая эффективный анализ собственных значений, который характеризует частоту и форму биений, в мультифиламентной модели аксонемы с использованием пользовательских матриц конечных элементов. Модель включает новое математическое представление моторного белка динеина, который уравновешивает внутренние силы и моменты точно по мере деформации аксонемы.

«Модель Луи — важный вклад в эту область. Она строго и ясно демонстрирует, что в основе лежит механическая флаттерная нестабильность. реснички биение — одно из самых распространенных и важных биофизических явлений в природе», — сказал Бейли.