כיפוף את כללי הביולוגיה: מדענים בסטנפורד חושפים אוריגמי סלולרי בטורפים מיקרוסקופיים

מדעני סטנפורד חשפו "lacrygami", תופעה שבה לאקרימריה אוור מרחיב את המבנה שלו באופן דרמטי, בהשפעת העיצוב הציטו-שלד שלו, ומבטיח התקדמות בטכנולוגיה מיקרוסקופית.

"יש כמה דברים בחיים שאתה יכול לראות ואז לעולם לא לבטל את הצפייה", אמר מאנו פראקש, פרופסור חבר לביו-הנדסה באוניברסיטת סטנפורד, כשהוא מתקשר לסרטון של הקסם האחרון שלו, האורגניזם החד-תאי. לאקרימריה אוורפרוטיסט חי חופשי שנקלע אליו לשחק עם ה-Foldscope הנייר שלו. "זה… פשוט… זה מהפנט."

"מהרגע שמאנו הראה לי את זה, זה עתה התרגשתי מהתא הזה", אמר אליוט פלאום, סטודנט לתואר שני במעבדת פראקש "מונעת הסקרנות". פראקש ופלום בילו את שבע השנים האחרונות בלימודים Lacrymaria olor's כל צעד ופרסמו לאחרונה מאמר על עבודתם בכתב העת מַדָע.

גילוי דינמיקה סלולרית

"בפעם הראשונה שחזרתי עם מיקרוגרף פלואורסצנטי, זה היה פשוט עוצר נשימה", אמר פלאום. "התמונה הזו נמצאת בעיתון."

הסרטון ש-Prakash עמד בתור מגלה מדוע האורגניזם הזה הוא הרבה יותר מתמונה יפה: תא בודד בצורת דמעה שוחה בתוך טיפת מי בריכה. בן רגע, "צוואר" ארוך ודק מבצבץ החוצה מהקצה התחתון הבולבוסי. וזה ממשיך. והולך. ואז, באותה מהירות, הצוואר נסוג לאחור, כאילו כלום לא קרה.

תוך שניות, תא שגודלו רק 40 מיקרון מקצה אל זנב, הנבט צוואר שנמשך 1500 מיקרון או יותר החוצה אל העולם. זה שווה ערך לאדם בגובה 6 רגל שמקרין את ראשו יותר מ-200 רגל. הכל מתא ללא מערכת עצבים.

"זו התנהגות מורכבת להפליא", אמר פראקש בחיוך.

צורה היא פונקציה

ל. אוור מופיע בכתב העת מַדָע כי פראקש ופלאום גילו בהתנהגות זו מנגנון גיאומטרי חדש שלא היה ידוע בעבר בביולוגיה. והם הראשונים להסביר כיצד תא כל כך פשוט יכול לייצר מורפודינמיקה מדהימה כל כך, קיפול והתקפלות יפהפיים – הלא היא אוריגמי – בקנה מידה של תא בודד, פעם אחר פעם בלי להיכשל.

זו גיאומטריה. של ל. אוור התנהגות מקודדת במבנה הציטו-שלד שלה, בדיוק כמו שהתנהגות אנושית מקודדת במעגלים עצביים.

"זו הדוגמה הראשונה לאוריגמי סלולרי", אמר פראקש. "אנחנו חושבים לקרוא לזה lacrygami."

באופן ספציפי, זוהי תת-קבוצה של אוריגמי מסורתי המכונה "אוריגמי מעוקל". הכל מבוסס על מבנה של מיקרוטובולים דקים וסליליים – צלעות העוטפות את הממברנה של התא. צלעות המיקרוטובוליות הללו עטופה בקרום דיאפאני עדין, המגדיר את תבנית הקמטים של פסגות בסדרה של קפלי הרים ועמקים.

תובנות מיקרוסטרוקטורליות ויופי מתמטי

פראקש ופלאום השתמשו במיקרוסקופיה אלקטרונית העברה וטכניקות חקירה מתקדמות אחרות כדי להראות שיש למעשה 15 מהסרטים הנוקשים והסליליים האלה של מיקרו-צינוריות העוטפים של ל. אוור קרום התא – שלד ציטו. הצינורות הללו מתפתלים ומתפתלים, מה שמוביל להקרנה ולנסיגה ארוכה, מקננים בחזרה לתוך עצמם כמו מפוח של אקורדיון סליל דחוס. גוש הממברנה מתחבא בתוך התא בקפלים מסודרים ומוגדרים היטב.

"כשאתה מאחסן קפלים על הזווית הסלילית בצורה זו, אתה יכול לאחסן אֵינְסוֹף כמות החומר", הסביר פלאום. "הביולוגיה הבינה את זה."

גיאומטריה היא גורל

האלגנטיות היא בחשבון. זה בלתי אפשרי מבחינה מתמטית שמבנה זה יתפרש בדרך אחרת – ולהפך, רק דרך אחת הוא יכול לחזור בו. מה שאולי בולט יותר לפראקאש הוא החוסן של הארכיטקטורה. במהלך חייו, ל. אוור יבצע הקרנה וחזרה זו 50,000 פעמים ללא פגם. הוא אמר: "ל. אוור הוא כָּרוּך על ידי הגיאומטריה שלה להתקפל ולהתפתח בצורה הספציפית הזו."

המפתח הוא תופעה מתמטית שלא נחקרה עד כדי כך המתרחשת בנקודה המדויקת שבה הצלעות מתפתלות והקרום המקופל מתחיל להתפרש. זה ייחוד – נקודה שבה המבנה מקופל ונפרש בו זמנית. זה גם וגם לא – יחיד.

תופס פיסת נייר, פראקש מקפל אותה לצורת חרוט ואז מושך בפינה אחת של הנייר כדי להדגים כיצד הייחודיות הזו (הנקראת d-cone) עוברת על פני הגיליון בקו מסודר. וכן, על ידי דחיפה לאחור לפינה כיצד הייחודיות נעה אחורה באותו נתיב בדיוק למיקומה המקורי.

"זה מתפתח ומתקפל בייחודיות הזו בכל פעם, מתפקד כבקר. זו הפעם הראשונה שבקר גיאומטרי של התנהגות מתואר בתא חי". פראקש הסביר.

ביולוגיה פנאי ויישומים עתידיים

נושא קבוע העובר לאורך עבודתה של מעבדת פראקש הוא תחושה עמוקה של פליאה ושובבות שגורמת לסקרנות האנרגטית הדרושה כדי להמשיך ברעיון כזה במשך זמן כה רב. זה, אם לומר זאת במונחים של פראקש, מדע מהאסכולה הישנה. הוא גם מתייחס לזה כביולוגיה פנאי.

כדי להדגים את השראתו, פראקש הציג עץ משפחה של אורגניזמים חד-תאיים אחרים שהוא בחר לחקור. נכון, אף אחד לא יכול לעשות מה ל. אוור יכול לעשות, אמר. אבל הגיאומטריות המורכבות האלה מגיעות באלפי צורות. יפה? בהחלט, אבל כל אחד מהם גם מסתיר חוקים נפלאים ולא כתובים מתחת לשרוולים.

"התחלנו עם פאזל", הסביר פראקש בכל הרצינות שמדען יכול לגייס. "אלי ואני שאלנו שאלה מאוד פשוטה: מאיפה החומר הזה מגיע? ולאן זה הולך? כמגרש המשחקים שלנו, בחרנו בעץ החיים. שבע שנים מאוחר יותר, אנחנו כאן".

באשר ליישומים מעשיים, המהנדס פראקש כבר מדמיין עידן חדש של "מכונות חיות" ניתנות לפריסה בקנה מידה מיקרו שיכול להפוך כל דבר, מטלסקופי חלל ועד רובוטים כירורגיים מיניאטוריים בחדר הניתוח.

פראקש הוא גם עמית בכיר במכון סטנפורד וודס לאיכות הסביבה, פרופסור חבר (באדיבות) לביולוגיה ושל אוקיינוסים, חבר בסטנפורד Bio-X, ב-Wu Tsai Human Performance Alliance, במכון המחקר לבריאות האם והילד, והמכון למדעי המוח Wu Tsai.

מחקר זה מומן על ידי ה המכונים הלאומיים לבריאות, הקרן הלאומית למדע, קרן מור, המכון הרפואי הווארד יוז, קרן שמידט ו-Chan Zuckerberg Biohub סן פרנסיסקו. חלק מהעבודה הזו בוצעה במתקן הדמיה של מדעי התא בסטנפורד.