Eicellen behoren tot de grootste cellen in het dierenrijk. Als het alleen wordt bewogen door het willekeurige gedrang van watermoleculen, een eiwit kan uren of zelfs dagen nodig hebben om van de ene kant van een zich vormende eicel naar de andere te drijven. Gelukkig, de natuur heeft een snellere manier ontwikkeld:celomspannende draaikolken in de onrijpe eicellen van dieren zoals muizen, zebravissen en fruitvliegjes. Deze vortices maken pendelen tussen cellen mogelijk die slechts een fractie van de tijd in beslag nemen. Maar tot nu toe, wetenschappers wisten niet hoe deze cruciale stromen ontstonden.

Met behulp van wiskundige modellering, onderzoekers hebben nu een antwoord. De gyres zijn het gevolg van het collectieve gedrag van staafvormige moleculaire buizen, microtubuli genaamd, die zich naar binnen uitstrekken vanaf de celmembranen, rapporteren de onderzoekers op 13 januari in Fysieke beoordelingsbrieven .

"Hoewel er niet veel wordt begrepen over de biologische functie van deze stromen, ze verdelen voedingsstoffen en andere factoren die het lichaamsplan organiseren en de ontwikkeling begeleiden, ", zegt co-hoofdauteur van de studie, David Stein, een onderzoekswetenschapper aan het Centre for Computational Biology (CCB) van het Flatiron Institute in New York City. Gezien hoe wijdverbreid de wervelende stromen zijn waargenomen in het dierenrijk, "ze zijn waarschijnlijk zelfs bij mensen."

Gabriele de Canio, een onderzoeker aan de Universiteit van Cambridge, leidde de studie samen met Stein. Hun co-auteurs waren CCB-directeur en professor Michael Shelley van de New York University en de Cambridge-professoren Eric Lauga en Raymond Goldstein.

Wetenschappers hebben cellulaire stromen bestudeerd sinds het einde van de 18e eeuw, toen de Italiaanse natuurkundige Bonaventura Corti met zijn microscoop in cellen tuurde. Hij zag vloeistoffen constant in beweging, maar wetenschappers begrepen de mechanismen die deze stromen aanstuurden pas in de 20e eeuw, toen ze de bron van de beweging identificeerden:moleculaire motoren die langs de microtubuli lopen. Die motoren vervoeren grote biologische ladingen zoals lipiden. De lading door de relatief dikke vloeistoffen van een cel halen is als het slepen van een strandbal door honing. Terwijl de ladingen door de vloeistof bewegen, de vloeistof beweegt ook, het creëren van een kleine stroom.

Maar soms zijn die stromen niet zo klein. In bepaalde ontwikkelingsstadia van de eicel van een gewone fruitvlieg, wetenschappers zagen draaikolkachtige stromingen die de hele cel overspanden. In deze cellen is microtubuli strekken zich naar binnen uit vanaf het celmembraan als tarwestengels. Moleculaire motoren die deze microtubuli beklimmen, duwen de microtubuli naar beneden terwijl ze opstijgen. Die neerwaartse kracht buigt de microtubuli, het omleiden van de resulterende stromen.

Eerdere studies beschouwden dit buigmechanisme maar pasten het toe op geïsoleerde microtubuli. Die studies voorspelden dat de microtubuli in cirkels zouden rondzwaaien, maar dergelijk gedrag kwam niet overeen met waarnemingen.

In de nieuwe studie de onderzoekers voegden een sleutelfactor toe aan hun model:de invloed van naburige microtubuli. Die toevoeging toonde aan dat de vloeistofstromen die worden gegenereerd door de motoren die de lading vervoeren, nabijgelegen microtubuli in dezelfde richting buigen. Met voldoende motoren en een voldoende dichtheid van microtubuli, alle microtubuli leunen uiteindelijk samen als een korenveld gevangen in een sterke bries. Deze collectieve afstemming oriënteert alle stromen in dezelfde richting, het creëren van de celbrede vortex die te zien is in echte fruitvliegcellen.

Hoewel gegrond in de realiteit, het nieuwe model is uitgekleed tot de essentie om de omstandigheden te onthullen die verantwoordelijk zijn voor de wervelende stromen. De onderzoekers werken nu aan versies die de fysica achter de stromen realistischer vastleggen om de rol die de stromen spelen in biologische processen beter te begrijpen.