Gespecialiseerde vezelige vloeistoffen stromen door de menselijke gewrichten en helpen bij het vormen van stoffen zoals slijm. Deze vloeistoffen bevatten lange, flexibele moleculen zoals polymeren of eiwitten, waardoor ze de mogelijkheid hebben om uit te rekken en schokken te absorberen.

Echter, wetenschappers moeten nog volledig begrijpen hoe deze raadselachtige vloeistoffen interageren met kleinschalige biologische structuren. Structuren van bijzonder belang zijn trilhaartjes - kleine haarachtige uitsteeksels die aan het celmembraan zijn bevestigd, die golven om functies uit te voeren zoals het verwijderen van verontreinigingen uit de luchtwegen. Deze interacties tussen vloeistofstructuren zijn belangrijk om precies te begrijpen hoe trilharen bewegen om hun biologische taken uit te voeren. Echter, deze interacties vinden plaats op zo'n kleine schaal dat ze moeilijk experimenteel te bestuderen zijn.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Micro/Bio/Nanofluidics Unit van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hebben enkele belangrijke kenmerken geïdentificeerd van hoe deze zogenaamde visco-elastische vloeistoffen rond trilhaartjes stromen. Visco-elastische vloeistoffen zijn stroperig, zoals melasse, evenals rekbaar. De studie, gepubliceerd in Klein , suggereert dat het de elasticiteit van de vloeistoffen is die de patroonbeweging van de trilharen aandrijft, zeggen de onderzoekers.

De wereld van de allerkleinsten betreden

Om hun experiment op te zetten, de wetenschappers holten microkanalen uit in gesmolten silicaglas. Deze kanalen bevatten één of twee flexibele cilindrische palen die aan één kant van het kanaal waren bevestigd, die cilia vertegenwoordigde.

De wetenschappers gebruikten vervolgens spuitpompen om een ​​visco-elastische oplossing met een nauwkeurig gecontroleerde snelheid door de glazen microkanalen te stuwen. De experimentele vloeistof bevatte wormachtige micellen (ook wel levende polymeren genoemd), Dit zijn flexibele structuren ter grootte van een micron die de beweging nabootsen van biologische moleculen die aanwezig zijn in menselijke lichaamsvloeistoffen.

De onderzoekers voerden een reeks metingen uit, met behulp van drie afzonderlijke krachtige microscopen met verschillende optische technieken om het gedrag en de eigenschappen van de vloeistof vast te leggen terwijl deze in wisselwerking stond met de palen.

Eerst, de wetenschappers gebruikten een methode genaamd microdeeltjesbeeldsnelheidsmeting om de snelheid van de vloeistof vast te leggen terwijl deze rond de palen stroomde. Ze merkten op dat de vloeistof bij voorkeur langs één kant van de palen bewoog, waardoor aan de andere kant vrijwel stationaire vloeistof achterblijft. Bij bepaalde stroomsnelheden echter, de vloeistof aan de stationaire kant begon in een schokkerige beweging te stromen.

Terwijl vloeistof bewoog, de post begon te oscilleren. "Een belangrijk aspect van het onderzoek was ons vermogen om de resulterende oscillaties van de palen zorgvuldig te volgen als een functie van de tijd met behulp van high-speed videomicroscopie, " zei dr. Simon Haward, de groepsleider van de eenheid.

Met behulp van een methode genaamd high-speed polarized light microscopie waren ze ook in staat om de gebieden rond de cilindrische posten te traceren waar de wormachtige micellen elastisch uitrekten, en om de hoeveelheid rekken te correleren met de positie van de palen.

Tijdens de interactie met de vloeistof, twee dicht bij elkaar liggende palen begonnen bijna perfect synchroon te oscilleren, wat suggereert dat de vloeistofelasticiteit het synchrone kloppen van de trilhaartjes van een cel bemiddelt, zeggen de onderzoekers.

"De synchrone tijddynamiek van de palen wordt volledig door de vloeistof zelf gegeven, " zei dr. Cameron Hopkins, de eerste auteur van de studie. "Echter, dit gebeurt alleen onder bepaalde voorwaarden. Als we het debiet verhogen en daarmee de invloed van de elasticiteit van de vloeistof, dan verliezen we de regelmaat van de oscillaties en wordt het grillig."

Nieuwe biologische modellen ontwikkelen

Vooruit gaan, de wetenschappers hopen te bestuderen hoe het veranderen van de flexibiliteit en afstanden tussen de cilindrische palen hun gedrag zal beïnvloeden. Hopkins en zijn collega's hopen het experiment ook te herhalen in een groter systeem met maximaal twintig cilindrische stiften om een ​​reeks trilhaartjes na te bootsen.

"Onze huidige experimentele opstelling is een geïdealiseerde geometrie - natuurlijk, echte biologische systemen zijn veel ingewikkelder, " zei professor Amy Shen, het hoofd van de eenheid Micro/Bio/Nanofluïdica. "Dit huidige model is een opstap naar iets complexer en biologisch relevanter."

De onderzoekers hopen dat verder onderzoek zal helpen de fysica van de allerkleinsten te verhelderen - en misschien inzicht te geven in de dynamische bewegingen die zich in onze cellen voordoen.