(PhysOrg.com) -- Cilia, kleine haarachtige structuren die prestaties leveren zoals het verwijderen van microscopisch afval uit de longen en het bepalen van de juiste locatie van organen tijdens de ontwikkeling, op mysterieuze manieren bewegen. Hun kloppende bewegingen zijn gesynchroniseerd om metachronale golven te produceren, lijkt qua uiterlijk op "de golf" die in grote arena's wordt gecreëerd wanneer toeschouwers hun handen gebruiken om een ​​bewegingspatroon rond het hele stadion te produceren.

Vanwege het belang van ciliaire functies voor de gezondheid, er is grote belangstelling voor het begrijpen van het mechanisme dat de slagpatronen van de trilhaartjes regelt. Maar het was een uitdaging om precies te leren hoe de beweging van de trilharen wordt gecoördineerd.

Dat kan beginnen te veranderen als gevolg van de schepping, door een team van Brandeis-onderzoekers, van kunstmatige trilhaarachtige structuren die een dramatische nieuwe benadering voor trilhaaronderzoek bieden.

In een recent artikel gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap , Universitair hoofddocent natuurkunde Zvonimir Dogic en collega's presenteren het eerste voorbeeld van een eenvoudig microscopisch systeem dat zichzelf organiseert om trilhaarachtige patronen te produceren.

“We hebben laten zien dat er een nieuwe benadering is voor het bestuderen van het slaan, ', zegt Dogic. “In plaats van de volledig functionerende structuur te deconstrueren, we kunnen complexiteit vanaf de grond opbouwen.”

De complexiteit van deze structuren vormt een grote uitdaging, aangezien elk cilium meer dan 600 verschillende eiwitten bevat. Om deze reden, de meeste eerdere onderzoeken naar trilhaartjes hebben een top-downbenadering gebruikt, proberen het slagmechanisme te bestuderen door de volledig functionerende structuren te deconstrueren door de systematische eliminatie van individuele componenten.

Het interdisciplinaire team bestond uit afgestudeerde natuurkundestudent Timothy Sanchez en afgestudeerde biochemiestudent David Welch, die samenwerkten met bioloog Daniela Nicastro en Dogic. Hun experimentele systeem bestond uit drie hoofdcomponenten:microtubuli-filamenten - kleine holle cilinders die worden aangetroffen in zowel dierlijke als plantaardige cellen, motoreiwitten genaamd kinesine, die chemische brandstof verbruiken om langs microtubuli te bewegen en een bundelingsmiddel dat de assemblage van filamenten tot bundels induceert.

Sanchez en collega's ontdekten dat deze zeer eenvoudige componenten zich onder bepaalde omstandigheden spontaan organiseren in actieve bundels die periodiek kloppen.

Naast het observeren van het slaan van geïsoleerde bundels, de onderzoekers waren ook in staat om een ​​dicht veld van bundels samen te stellen die hun slagpatronen spontaan synchroniseerden in lopende golven.

Zelforganiserende processen van vele soorten zijn recentelijk een focus geworden van de natuurkundige gemeenschap. Deze processen variëren in schaal van microscopische cellulaire functies en zwermen bacteriën tot macroscopische fenomenen zoals zwermen van vogels en files. Sinds controleerbare experimenten met vogels, drukte bij voetbalstadions en verkeer zijn vrijwel onmogelijk te leiden, de experimenten beschreven door Sanchez en collega's zouden als model kunnen dienen voor het testen van een breed scala aan theoretische voorspellingen.

In aanvulling, de reproductie van zo'n essentiële biologische functionaliteit in een eenvoudig systeem zal van groot belang zijn op het gebied van cellulaire en evolutionaire biologie, zegt Dogic. De bevindingen openen ook een deur voor de ontwikkeling van een van de belangrijkste doelen van nanotechnologie:het ontwerpen van een object dat in staat is om zelfstandig te zwemmen.