Ritmische patronen en precieze bewegingen - dit zijn de belangrijkste elementen van goed zwemmen. Olympiërs demonstreren herhaalde ademhalingspatronen, met gesynchroniseerde kop, been- en armbewegingen, boeiende toeschouwers en provocerend applaus voor recordbrekende stappen. Vergelijkbare demonstraties van deze patroonherhaling en stroomverbruik zijn ook te zien bij een microscopisch kleine zwemmer - de amoeboïde cel.

De celzwemmende vormen zijn nu voorspelbaar tot nieuwe niveaus van precisie dankzij geavanceerde 3D-modellering. Onderzoekers Eric J. Campbell en Prosenjit Bagchi, van de afdeling Mechanical and Aerospace Engineering aan de Rutgers University, genereerde een 3D-model van een amoebe die pseudopod-gedreven zwemmen beoefent. Het onderzoek verschijnt deze maand op de omslag van het nummer van Fysica van vloeistoffen .

Amoeboïde cellen hebben unieke flexibele cytoskeletten, zonder vaste vorm. Ze kunnen hun skelet samentrekken en uitzetten terwijl ze tegelijkertijd de consistentie van hun cytoplasma veranderen, het plasma rond de organellen van de cel. Amoeboïde cellen onderscheiden zich ook door hun vermogen tot door pseudopoden aangestuurde beweeglijkheid. pseudopoden, wat betekent valse voeten, zijn uitsteeksels van het cellichaam die kunnen groeien, splitsen of intrekken om voortbeweging te bieden. Pseudopod-beweging is complexer dan de meesten zouden verwachten. Het is gebaseerd op biomoleculaire reacties, celvervorming en de beweging van zowel het cytoplasma als de extracellulaire vloeistof.

"Bij dit onderzoek we combineerden een state-of-the-art model voor celvervorming met intra- en extracellulaire vloeistofbeweging, en eiwitbiochemie met behulp van een dynamisch patroonvormingsmodel, Campbell zei. "Vervolgens gebruikten we parallelle supercomputers om de beweging van de cel te voorspellen, en bestudeerde zijn gedrag door celvervormbaarheid te variëren, vloeibare viscositeit, en eiwitdiffusie."

Amoeboïde cellen vertonen een unidirectioneel zwemmen met een overeenkomstige verandering in de dynamiek van pseudopoden, veroorzaakt doordat uitsteeksels aan de voorkant van de cel steeds vaker voorkomen. Deze eenzijdigheid wordt waarschijnlijk veroorzaakt door een verhoogde zwemsnelheid als gevolg van de gerichte oriëntatie. Met behulp van computermodelsimulaties, de onderzoekers bestudeerden celzwemmen door de diffusiviteit van eiwitten te variëren, membraanelasticiteit en cytoplasmatische viscositeit.

Het nauwkeurig modelleren van zwemmen met amoeboïde cellen vormde een aantal uitdagingen. "Het model moest vervorming in drie dimensies kunnen oplossen met hoge nauwkeurigheid en zonder enige numerieke instabiliteit, " zei Campbell. Eiwitbiochemie, die de locomotiefkracht creëert, moest worden gekoppeld aan het model. Er moest ook rekening worden gehouden met vloeistofbewegingen. "De intra- en extracellulaire vloeistoffen kunnen verschillende eigenschappen hebben, en het model moet rekening houden met dergelijke verschillen."

Deze verschillende parameters werden geïntegreerd om de celbewegingsmodellering te optimaliseren, het verstrekken van nieuwe, nauwkeurigere informatie over de voortbewegingsmechanismen. Amoeboïde cellen die deze door pseudopoden aangedreven beweeglijkheid demonstreren, kunnen inzicht bieden in veel biologische processen. Volgens Campbell, de mobiliteit wordt ook waargenomen tijdens de embryonale ontwikkeling, wond genezen, immuunrespons door witte bloedcellen, en uitgezaaide kankercellen.