Jerzy Blawzdziewicz, professor, associate voorzitter en directeur van graduate studies in de faculteit Werktuigbouwkunde, en Shiva Vanapalli, een universitair hoofddocent en Bill Sanderson faculteitsmedewerker bij de afdeling Chemische Technologie aan het Edward E. Whitacre Jr. College of Engineering van de Texas Tech University, hadden hun onderzoekspaper, "Rolmanoeuvres zijn essentieel voor actieve heroriëntatie van Caenorhabditis elegans in 3D-media, " onlangs gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ).

C. elegans, een rondworm van één millimeter, is een krachtig modelorganisme dat wordt gebruikt bij onderzoek naar fundamentele biologische processen die tussen soorten zijn geconserveerd. Onderzoekers over de hele wereld meten het bewegingsgedrag van deze nematode om inzicht te krijgen in diverse onderzoeksgebieden, zoals genetische mutaties, spier biologie, neurale controle van beweging en evaluatie van voeding, lichaamsbeweging en effecten van medicijnen.

De meeste onderzoeksresultaten met locomotorische uitlezingen zijn gebaseerd op tweedimensionale (2-D) beschrijvingen van de nematodenbeweging. In laboratoria, C. elegans wordt meestal gekweekt op een agargeloppervlak, en 2D-modellen bieden een schat aan nuttige informatie. Echter, sommige gedragingen van de worm, zoals graven en zwemmen, vereisen een driedimensionale (3D) onderzoeksaanpak.

Bovendien, in zijn natuurlijke habitat, die vochtig is, ontbindend organisch materiaal, de nematode beweegt in een complexe 3D-omgeving. Nog, tot nu toe zijn er geen uitgebreide kwantitatieve studies van de 3D-gang van de worm geweest.

In hun krant Blawzdziewicz, Vanapalli en hun team identificeerden en kwantificeerden de belangrijkste manoeuvres die de nematode gebruikt om de 3D-ruimte te verkennen. Hun gezamenlijke onderzoeksinspanningen waren gebaseerd op de essentiële bijdragen van twee doctoraatsstudenten werktuigbouwkunde, Alejandro Bilbao en Amar Patel, die theoretische resultaten behaalde, en van een postdoctoraal onderzoeker in de chemische technologie, Mizanur Rahman, die de experimenten heeft uitgevoerd.

"We kijken naar de manier waarop dit kleine dier zich in zijn omgeving beweegt en wat voor soort manoeuvres het uitvoert, " zei Blawzdziewicz. "In 2-D, de nematode stuwt zijn lichaam voort met behulp van zijwaartse golvingen en draait door tijdelijk de golvingsamplitude aan één kant te vergroten. Dat hebben we gevonden, om zich te heroriënteren in 3D, de nematode voert een rolmanoeuvre uit, die lijkt op een acrobatische rol van een vliegtuig. Het dier draait efficiënt rond de as van zijn traject (het 3D-deel van zijn beweging uitvoerend), hervat vervolgens 2-D bochten in een nieuw golvingsvlak. We hebben dit nieuwe gedragspatroon vastgelegd en theoretisch de efficiëntie ervan geanalyseerd, frequentie en betekenis."

Het genoom van C. elegans was het eerste volledig gesequenced, en het neurale systeem van de nematode is volledig in kaart gebracht. Dit helpt bij onderzoeksstudies omdat het nu het diermodel is voor verschillende ziekten.

De korte draag- en verouderingsperiode van C. elegans is een ander voordeel van het gebruik van het dier.

"Het is een transparante worm, zodat je er doorheen kunt kijken wat zijn voordelen heeft, en elk dier legt ongeveer 300 eieren, " zei Vanapalli. "Elk dier leeft ongeveer drie weken, dus in die korte tijd je kunt een groot aantal nematoden monitoren. Als je denkt aan verouderingsstudies, wat een van de gebieden is waarin Jerzy en ik geïnteresseerd zijn, een belangrijk doel is om te begrijpen welke genetische mutaties en welke medicijnen de neuromusculaire gezondheid kunnen verbeteren naarmate het dier ouder wordt. Een muis leeft twee jaar, dus het is een zeer lange tijd om te volgen, een heel lang experiment. Maar hier, het is drie weken.

"We zijn van plan onze 3D-bewegingsanalyse te gebruiken om de gezondheid van zenuw- en spierstelsels bij ouder wordende wormen te karakteriseren. De 3D-benadering is een gevoeliger hulpmiddel in vergelijking met het evalueren van C. elegans-beweging in 2D."

De onderzoeken van de Texas Tech-onderzoeksgroep vormen al een nieuw, belangrijke en open vraag hoe 3D-lichaamshoudingen die betrokken zijn bij rolmanoeuvres worden geactiveerd door, eigenlijk, een tweedimensionaal netwerk van neurale verbindingen.

C. elegans heeft vier rijen spieren langs zijn lichaam, dus bediening in elke richting moet mogelijk zijn. Echter, motorneuronen in het grootste deel van het lichaam hebben symmetrische verbindingen met ventrale of dorsale spieren, en vanwege deze symmetrische verbindingen, algemeen wordt aangenomen dat C. elegans niet in staat is om 3D-bewegingen te activeren, behalve in het hoofdsegment van zijn lichaam.

"Onze analyse laat zien dat het hele nematodenlichaam in staat is tot 3D-bewegingen, "zei Blawzdziewicz. "De vraag rijst dus hoe het motorneuron dat met twee spieren is verbonden, verschillende signalen kan sturen om een ​​asymmetrische respons in deze spieren op te wekken."

Het onderzoek werd gefinancierd door de National Science Foundation, de National Institutes of Health en NASA.

Een van de simulaties die de geometrie en mechanica van 2D-bochten en 3D-rolmanoeuvres bij het zwemmen demonstreert, wordt hieronder weergegeven.