Waar te beginnen

Prakash besloot te onderzoeken hoe schistosomiasis-larven zwemmen om een ​​menselijke gastheer te vinden. Dit is een waardevolle vraag omdat in zijn larvale vorm, de parasiet heeft geen voedingsmechanisme en moet binnen ongeveer 12 uur een gastheer vinden of sterven. Het spreekt voor zich, dan, dat de larven waarschijnlijk iets speciaals hebben, uiterst efficiënte zwemvaardigheden. Het blijkt dat het vermoeden klopt.

"Dit was anders dan alles wat ik eerder had gezien, " zei Deepak Krishnamurthy, een promovendus in het Prakash Lab en hoofdauteur van de studie. "Toen ik naar deze parasiet keek, Ik was gefascineerd door het feit dat het op een heel andere manier zwom in vergelijking met enig ander micro-organisme dat ik kende. De parasiet had een mysterieuze gevorkte staart, iets dat nog nooit eerder is gezien bij andere zwemmende micro-organismen."

De onderzoekers gebruikten drie verschillende benaderingen om deze vreemde zwemslag te onderzoeken. Ze beeldden levende parasietlarven af ​​met hogesnelheidsmicroscopie, ze creëerden een wiskundig model om te begrijpen hoe de parasiet interageerde met de omringende vloeistof, en ten slotte vertaalden ze dat model in een opgeschaalde robotzwemmer als een fysieke uitbreiding om meer te leren over fysieke parameters die in het spel zijn.

De T-zwemmer

Terwijl ze de larven observeren, het team merkte een paar zwemstijlen op die schistosomiasis-larven in verschillende situaties gebruiken, en die voornamelijk verschillen in de positie van de gevorkte staart. Van deze, een viel op als uniek. In deze slag, de larven steken de staart loodrecht uit het lichaam, zoals de letter T, de onderzoekers ertoe aanzetten om ze T-zwemmers te noemen.

De larven schakelen over op T-zwemmen wanneer ze tegen de zwaartekracht in bewegen, wat ze lijken te doen om dicht bij het wateroppervlak te zijn, waar ze het meest waarschijnlijk een menselijke gastheer vinden. Hogesnelheidsvideo van het zwemmen van levende larven stelde de onderzoekers in staat om diepgaand te onderzoeken hoe deze nieuwe zwemstijl werkt.

"We hebben talloze uren besteed aan het kijken naar honderden van deze parasieten die zwemmen - het is als een obsessie, " zei Yorgos Katsikis, een voormalig promovendus in het Prakash Lab en co-auteur van deze studie. "Vervolgens ontwikkelden we beeldverwerkingsalgoritmen die deze gegevens automatisch zouden verwerken zonder enige experimentele vooringenomenheid."

Deze aangepaste algoritmen onthulden in detail de exacte kinematica van hoe de larven hun lichaam buigen en hun hoofd draaien, hoe snel ze bewegen en hoe ze versnellen en vertragen en de omringende vloeistof verstoren.

Modellen maken

Parallel aan directe waarnemingen, de onderzoekers ontwikkelden meerdere wiskundige en robotmodellen voor hoe een T-zwemmer zou kunnen zwemmen. De wiskundige representaties zien eruit als drie staven, één vertegenwoordigt de gevorkte staart van de larven en de andere twee zijn gebogen staart en lichaam. De robots waren op dezelfde manier gestructureerd en zwommen door glucosestroop, een 10, 000 keer meer viskeuze tegenhanger van het water dat de larven teisteren, dezelfde fysieke effecten na te bootsen.

Met deze modellen ze konden de modellarven slagen laten maken die verschillende combinaties van staartstijfheid en buigbeweging met zich meebrachten. Ze raceten zelfs met verschillende robots, elk met kleine wijzigingen in hun staartstijfheid.

"Vaak, we proberen de natuur na te bootsen in robots. Dit was heel anders, " zei Krishnamurthy. "Op het eerste gezicht, het lijkt erop dat ik een robot probeer te maken die zwemt als een parasiet, maar de waarheid is dat het precies het tegenovergestelde was:ik bouwde een robot om echt te begrijpen hoe de biologische parasiet zwemt."

Wat deze modellen en verschillende aanpassingen onthulden, is dat de echte zwemslag van de larven inderdaad de optimale versie was.

Prakash en Krishnamurthy zijn in Madagaskar geweest om geïnfecteerde slakken te verzamelen en de ecologie van deze parasiet in open water in plattelandsdorpen te bestuderen. Ze hopen dat hun werk in en buiten het lab hen zal helpen begrijpen hoe deze parasieten mensen vinden en hen een stap dichter bij een ecologische oplossing voor deze wijdverbreide ziekte zal brengen.