In de vroegste stadia, lang voordat het zijn kenmerkende aanhangsels ontkiemt, lijkt een zeesterembryo op een kleine kraal, die als een miniatuurkogellager door het water draait.

Nu hebben MIT-wetenschappers waargenomen dat wanneer meerdere zeesterembryo's naar het wateroppervlak spinnen, ze naar elkaar toe trekken en spontaan samenkomen in een verrassend georganiseerde, kristalachtige structuur.

Nog merkwaardiger is dat dit collectieve 'levende kristal' een vreemde elasticiteit kan vertonen, een exotische eigenschap waarbij het ronddraaien van individuele eenheden - in dit geval embryo's - veel grotere rimpelingen over de hele structuur veroorzaakt.

De onderzoekers ontdekten dat deze rimpelende kristalconfiguratie relatief lange tijdsperioden kan aanhouden voordat ze oplost naarmate individuele embryo's rijpen.

"Het is absoluut opmerkelijk - deze embryo's zien eruit als prachtige glaskralen en ze komen naar de oppervlakte om deze perfecte kristalstructuur te vormen", zegt Nikta Fakhri, de Thomas D. en Virginia W. Cabot Career Development Associate Professor of Physics aan het MIT. "Als een zwerm vogels die roofdieren kan ontwijken, of soepeler kan vliegen omdat ze zich in deze grote structuren kunnen organiseren, zou deze kristalstructuur misschien enkele voordelen kunnen hebben waarvan we ons nog niet bewust zijn."

Naast zeesterren, zegt ze, zou deze zelfassemblerende, kabbelende kristalassemblage kunnen worden toegepast als ontwerpprincipe, bijvoorbeeld bij het bouwen van robots die collectief bewegen en functioneren.

"Stel je voor dat je een zwerm zachte, draaiende robots bouwt die met elkaar kunnen communiceren zoals deze embryo's", zegt Fakhri. "Ze zouden kunnen worden ontworpen om zichzelf te organiseren, te rimpelen en door de zee te kruipen om nuttig werk te doen. Deze interacties openen een nieuwe reeks interessante fysica om te verkennen."

Fakhri en haar collega's hebben hun resultaten gepubliceerd in een onderzoek dat vandaag verschijnt in Nature .

Samen draaien

Fakhri zegt dat de observaties van het team van zeesterkristallen een "toevallige ontdekking" waren. Haar groep heeft onderzocht hoe zeesterembryo's zich ontwikkelen, en in het bijzonder hoe embryonale cellen zich in de allereerste stadia delen.

"Zeester is een van de oudste modelsystemen voor het bestuderen van ontwikkelingsbiologie omdat ze grote cellen hebben en optisch transparant zijn", zegt Fakhri.

De onderzoekers observeerden hoe embryo's zwemmen als ze volwassen worden. Eenmaal bevrucht, groeien en delen de embryo's en vormen ze een schaal die vervolgens kleine haartjes of trilhaartjes ontspruit die een embryo door het water voortstuwen. Op een bepaald punt coördineren de trilhaartjes om een ​​embryo in een bepaalde rotatierichting of 'chiraliteit' te laten draaien. Tzer Han Tan, een van de groepsleden, merkte op dat terwijl embryo's naar de oppervlakte zwommen, ze naar elkaar toe bleven tollen.

"Af en toe kwam een ​​kleine groep samen en danste wat rond", zegt Fakhri. "En het blijkt dat er andere mariene organismen zijn die hetzelfde doen, zoals sommige algen. Dus, dachten we, dit is intrigerend. Wat gebeurt er als je er veel bij elkaar zet?"

In hun nieuwe onderzoek bevruchtten zij en haar collega's duizenden zeesterembryo's en keken ze toe hoe ze naar de oppervlakte van ondiepe schalen zwommen.

"Er zitten duizenden embryo's in een schaal en ze beginnen deze kristalstructuur te vormen die heel groot kan worden", zegt Fakhri. "We noemen het een kristal omdat elk embryo wordt omringd door zes naburige embryo's in een zeshoek die zich herhaalt over de hele structuur, zeer vergelijkbaar met de kristalstructuur in grafeen."

Kwispelende kristallen

To understand what might be triggering embryos to assemble like crystals, the team first studied a single embryo's flow field, or the way in which water flows around the embryo. To do this, they placed a single starfish embryo in water, then added much smaller beads to the mix, and took images of the beads as they flowed around the embryo at the water's surface.

Based on the direction and flow of the beads, the researchers were able to map the flow field around the embryo. They found that the cilia on the embryo's surface beat in such a way that they spun the embryo in a particular direction and created whirlpools on either side of the embryo that then drew in the smaller beads.

Mietke, a postdoc in Dunkel's applied mathematics group at MIT, worked this flow field from a single embryo into a simulation of many embryos, and ran the simulation forward to see how they would behave. The model produced the same crystal structures that the team observed in its experiments, confirming that the embryos' crystallizing behavior was most likely a result of their hydrodynamic interactions and chirality.

In their experiments, the team also observed that once a crystal structure had formed, it persisted for days, and during this time spontaneous ripples began to propagate across the crystal.

"We could see this crystal rotating and jiggling over a very long time, which was absolutely unexpected," she says. "You would expect these ripples to die out quickly, because water is viscous and would dampen these oscillations. This told us the system has some sort of odd elastic behavior."

The spontaneous, long-lasting ripples may be the result of interactions between the individual embryos, which spin against each other like interlocking gears. With thousands of gears spinning in crystal formation, the many individual spins could set off a larger, collective motion across the entire structure.

The researchers are now investigating whether other organisms such as sea urchins exhibit similar crystalline behavior. They are also exploring how this self-assembling structure could be replicated in robotic systems.

"You can play with this design principle of interactions and build something like a robotic swarm that can actually do work on the environment," she says. + Verder verkennen

Researchers build embryo-like structures from human stem cells

This story is republished courtesy of MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), a popular site that covers news about MIT research, innovation and teaching.