Cilia zijn kleine, haarachtige structuren op cellen door ons hele lichaam die verschillende functies hebben, waaronder het opruimen van onze luchtwegen, het circuleren van hersenvocht in onze hersenen en het transporteren van eieren in eileiders. Hoewel onderzoekers hun functie begrijpen, begrijpen ze niet volledig hoe ze de gespecialiseerde bewegingen genereren om die functies uit te voeren.

Een team van onderzoekers van de McKelvey School of Engineering aan de Washington University in St. Louis, geleid door Louis Woodhams, hoofddocent, en Philip V. Bayly, de Lee Hunter Distinguished Professor en voorzitter van de afdeling Mechanical Engineering &Materials Science, ontwikkelde een nieuw wiskundig model van het cilium dat klopt als gevolg van een mechanische instabiliteit die "flutter" wordt genoemd en die ontstaat onder constante krachten die worden gegenereerd door het motoreiwit dyneïne. Deze flutterinstabiliteit op microschaal is vergelijkbaar met aerodynamische flutter in grotere systemen, wat leidde tot de bekende ineenstorting van de Tacoma Narrows Bridge, en komt ook voor in vliegtuigvleugels en turbinebladen.

De resultaten van het onderzoek verschenen op de omslag van het augustusnummer van Journal of the Royal Society Interface .

Cilia slaan op verschillende manieren:het flagellum op de staart van een zaadcel duwt vloeistof symmetrisch, terwijl andere soorten cilia asymmetrisch trekken, vergelijkbaar met de schoolslagbeweging van een zwemmer. Weer anderen, zoals trilhaartjes in de embryonale knoop, bewegen in een cirkelvormige of wervelende beweging.

"We hebben een aangepast eindige-elementenmodel gemaakt waarmee we efficiënt de parameterruimte van het model kunnen verkennen en ons een portret kunnen geven van het systeemgedrag", zegt Woodhams, eerste auteur van het artikel. "Dit model kan worden gebruikt om symmetrische, asymmetrische en 3D kloppende vormen van trilhaartjes te verklaren."

Het team bouwde een model met zes filamenten aan de buitenkant en één aan de binnenkant dat een benadering was van de structuur van het flagellaire axoneme, de bundel microtubuli die de centrale kern van een cilium vormen. Omdat veel eiwitstructuren in het axoneme te klein zijn om hun eigenschappen direct te meten, stelde het wiskundige model hen in staat om te onderzoeken hoe koppeling tussen individuele filamenten de slagfrequentie en vorm zou beïnvloeden.

"Met dit model kunnen we verschillende dyneïnekrachtgroottes en verschillende stijfheid van de interne structuren proberen," zei Woodhams. "Het kan uren duren om het systeem te simuleren met commerciële software om één systeem op te lossen. Met deze aanpak kunnen we duizenden parameterpunten oplossen en een momentopname krijgen van het gedrag van het systeem op veel verschillende punten."

Het laboratorium van Bayly heeft met trilhaartjes als model gewerkt om trillingen, golfbewegingen en instabiliteit in mechanische en biomedische systemen te bestuderen. Het nieuwe onderzoek bouwt voort op eerder werk door efficiënte eigenwaarde-analyse mogelijk te maken, die de slagfrequentie en -vorm karakteriseert, in een multi-filamentmodel van het axoneem met behulp van op maat gemaakte eindige-elementenmatrices. Het model bevat een nieuwe wiskundige weergave van het dyneïne-motoreiwit dat interne krachten en momenten in evenwicht houdt, precies zoals het axoneme vervormt.

"Louie's model is een belangrijke bijdrage aan het veld. Het toont rigoureus en duidelijk aan dat een mechanische fladderinstabiliteit ten grondslag kan liggen aan het kloppen van trilharen - een van de meest alomtegenwoordige en belangrijke biofysische verschijnselen in de natuur," zei Bayly. + Verder verkennen

Golven maken:onderzoekers werpen licht op hoe trilhaartjes werken