Sommige soorten Eugleniden, een gediversifieerde familie van in het water levende eencellige organismen, kan grote amplitude uitvoeren, elegant gecoördineerde lichaamsvervormingen. Hoewel dit gedrag al eeuwen bekend is, de functie ervan is nog steeds zeer omstreden.

Onderzoekers van SISSA, het Nationaal Instituut voor Oceanografie en Toegepaste Geofysica (OGS), Scuola Superiore Sant'Anna en Universitat Politècnica de Catalunya hebben onlangs een studie uitgevoerd naar de beweeglijkheid van Euglena Gracilis, een Euglenide, vooral in zijn reactie op opsluiting. In hun studie hebben gepubliceerd in Natuurfysica , ze onderzochten de reacties van zwemmende Euglena gracilis in omgevingen met gecontroleerde drukte en geometrie.

"De gecoördineerde bewegingen met grote amplitude van Euglena-cellen, genaamd metabolie, worden al eeuwenlang beschreven, en nog steeds fascineren microbiologen, biofysici en amateurmicroscopen, "Marino Arroyo, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Voor zover we weten, geen enkel ander eencellig organisme kan zo elegant en gecoördineerd bewegen. Nog, hoe en waarom ze het doen is een raadsel. Nieuwsgierigheid was wat ons ertoe aanzette om de beweeglijkheid van Euglena te bestuderen."

De grote amplitude en gecoördineerde lichaamsvervormingen die in Euglena worden waargenomen, worden meestal 'euglenoïde beweging, ' of 'metabolie'. Metabolie varieert sterk tussen soorten en soms zelfs binnen een soort, variërend van een ronde en zachte buiging of draaiing tot periodieke en sterk gecoördineerde peristaltische golven die langs het cellichaam reizen.

"Onder biofysici, men dacht dat metabolie een manier was om in een vloeistof te zwemmen, waar deze cellen leven, "Zei Arroyo. "Echter, protistologen zijn niet overtuigd van deze functie voor metabolie, aangezien Euglena heel snel kan zwemmen en hun flagellum kan verslaan, net als veel andere celtypen. In plaats daarvan, de overheersende opvatting is dat metabolie een functieloos overblijfsel is dat 'geërfd' is van voorouders die cellichaamvervormingen gebruikten om grote prooien te verzwelgen. Kijken naar cellen die zo'n mooie en gecoördineerde dans uitvoeren, we geloofden niet dat het geen enkel doel diende. Ons onderzoek begon als een poging om zo'n niet-wetenschappelijk onderbuikgevoel te onderbouwen."

Verdunde culturen van Euglena-cellen zwemmen over het algemeen met hun flagellum en zonder hun lichaamsvorm te veranderen. Arroyo en zijn collega's, echter, merkte op dat naarmate de tijd verstreek en de vloeistof onder de microscoop verdampte, hun cultuur werd drukker en cellen begonnen metabolisch te worden.

"Geïnspireerd door deze observaties en amateur YouTube-video's, we veronderstelden dat de celvervormingen zouden kunnen worden veroorzaakt door contact met andere cellen of grenzen in een drukke omgeving, en dat onder deze omstandigheden, metabolie kan nuttig zijn om te kruipen, in plaats van zwemmen, "Antonio de Simone, andere onderzoekers die bij het onderzoek betrokken waren, vertelde Phys.org. "Het bevestigen van deze hypothese was opmerkelijk eenvoudig. Zodra we cellen lichtjes tussen twee glazen oppervlakken drukten, of dreef ze in dunne haarvaten, ze begonnen systematisch metabolisch uit te voeren, wat resulteerde in de snelste crawling door elk celtype, zo ver we weten, " voegde Giovanni Noselli eraan toe, de eerste auteur van de studie.

Toen ze klaar waren met het testen van deze hypothese, de onderzoekers begonnen het kruipgedrag dat ze in Euglena zagen te vergelijken met dat van dierlijke cellen, waarvoor momenteel een groter aantal studies beschikbaar is. Eerdere studies hebben waargenomen dat dierlijke cellen die in een dunne buis kruipen, de neiging hebben om tegen de wanden te duwen om vooruit te komen en de weerstand van de vloeistof in de buis te overwinnen.

"We hebben gevonden dat, dankzij hun peristaltische vervormingen, Euglena kan op de muren of op de vloeistof duwen om vooruit te komen, het maken van metaboly een opmerkelijk robuuste manier van beperkte voortbeweging, "Zei De Simone. "Ze kunnen in feite heel weinig vloeistof verplaatsen in een 'sluipende' voortstuwingsmodus, en ze kunnen niet worden gestopt, zelfs als de hydraulische weerstand in het capillair aanzienlijk wordt verhoogd."

In hun experimenten, Arroyo, de Simone, Noselli en hun collega Alfred Beran merkten dat Euglena-cellen hun gang konden aanpassen aan verschillende gradaties van opsluiting. Om dit gedrag uit te voeren, de cellen zouden een sensorisch systeem kunnen gebruiken om hun omgeving te detecteren en een of andere vorm van interne informatieverwerking om hun activiteit aan te passen aan de mate van opsluiting.

De onderzoekers vonden deze verklaring verwarrend, echter, vooral gezien het feit dat Euglena afzonderlijke cellen zijn zonder zenuwstelsel. Om beter te begrijpen hoe een enkele Euglena-cel zo'n aanpasbare en robuuste manier van voortbewegen kan besturen, Arroyo en zijn collega's hebben het beweeglijke apparaat van Euglena-cellen computationeel gemodelleerd, die in wezen een gestreepte celenvelop is.

"We vroegen ons af of hun actieve envelop, een pellicle genoemd, verantwoordelijk voor de celvervormingen, zich mechanisch zou aanpassen aan wisselende mechanische omstandigheden, " zei Arroyo. "Om dit te onderzoeken, we hebben een rekenmodel ontwikkeld dat aantoont dat de compliantie van de materialen en moleculaire motoren die deel uitmaken van de actieve envelop van Euglena dit aanpassingsvermogen zou kunnen verklaren, wat in robotica mechanische of belichaamde intelligentie wordt genoemd."

Arroyo en zijn collega's verzamelden fascinerende observaties over de lichaamsvervormingen van sommige Eugleniden, suggereert dat dit gedrag zou kunnen, in sommige gevallen, worden veroorzaakt door opsluiting. Naast het aantonen van één functie van metabolie, hun studie bracht een nieuwe categorie cellulaire crawlers tot stand, die bijzonder snel zijn, robuust en aanpasbaar.

"Als kruipen door metabolie zo voordelig is, men kan zich afvragen waarom het niet geconserveerd is tussen andere soorten, " zei Arroyo. "Het antwoord is dat het een ingewikkelde machine vereist, de huid, dat is een gegroefde omhulling gemaakt van elastische stroken verbonden door moleculaire motoren. Dit selectief vervormbare oppervlak ligt ergens tussen de stijve wand van plantencellen en de vloeistofomhulling van dierlijke cellen. Voorbij biologie, we denken dat de onderliggende fysische/geometrische principes die vormveranderingen van deze envelop mogelijk maken, kunnen worden toegepast op kunstmatige technische systemen, bijv. in zachte robotica."

Het door Arroyo en zijn collega's ontwikkelde rekenmodel zou eindelijk licht kunnen werpen op de functie van algemeen gedocumenteerde euglenoïde bewegingen. Hun bevindingen suggereren dat het aanpassingsvermogen van deze organismen geen specifieke mechanosensitieve feedback vereist, maar zou eerder kunnen worden verklaard door de mechanische zelfregulatie van een elastisch en uitgebreid motorisch systeem.

In hun recente studie, de onderzoekers hebben met succes één functie en de werkingsprincipes achter de aanpasbare lichaamsvervorming van Euglena-cellen geïdentificeerd. Ze zijn nu van plan om de cellulaire mechanismen waarmee de metabolisatie wordt geactiveerd en waardoor cellulaire vervormingen zich voortplanten, verder te onderzoeken.

"We zijn van plan om de metabolie van verschillende soorten Euglena te onderzoeken, " Zei DeSimone. "Voorlopige observaties onthullen verschillende smaken van metabolie. We werken ook aan het bouwen van kunstmatige materialen en apparaten die zijn geïnspireerd op de actieve en vervormbare envelop van Euglena-cellen".

© 2019 Wetenschap X Netwerk