Измерена сила роста пыльцевой трубки растений
В исследовании, опубликованном в сентябрьском номере журнала TECHNOLOGY за 2018 год, с помощью микрофлюидных технологий впервые измерена сила, которую создаёт микроскопический орган растений, доставляющий спермии. Инженеры в области нано- и микросистем и биологи растений из Университета Монреаля (Université de Montréal), Университета Макгилла и Университета Конкордия создали микрочип, позволивший измерить усилие, которое инструменты доставки спермиев растений прилагают для преодоления тканей женского цветка при оплодотворении.
Создание лаборатории-на-чипе для измерения силы роста пыльцевых трубок было сложным процессом, включавшим сборку нескольких слоёв точно спроектированного эластомера с точностью в микрометровом диапазоне. Размножение растений критически важно для выживания человека, так как от него зависит большая часть потребляемых нами калорий. Успешное оплодотворение лежит в основе образования семян (риса, кукурузы, пшеницы), фруктов и овощей. Сбой в оплодотворении может иметь серьёзные экономические и гуманитарные последствия.
Чтобы смоделировать биологический лабиринт тканей цветка, пыльцевые трубки направляли в микроустройство и подвергали воздействию миниатюрных силомеров. При взаимодействии с датчиком трубки отклоняли устройство, а сила сопротивления давала информацию о величине создаваемого ими усилия. Величина этой силы указывает, что клеточное давление, управляющее процессом инвазии, соответствует давлению в автомобильной шине. Любопытно, что пыльцевые трубки изменили частоту своих колебаний роста, что говорит о способности клеток «чувствовать» и реагировать на физическое сопротивление среды.
Доставка спермиев у растений имеет много общего с аналогичным процессом у людей и животных. Яйцеклетка у растений глубоко погружена в женские ткани, поэтому для её достижения пыльцевое зерно (мужской партнёр) формирует вырост, который проникает в эти ткани. В отличие от человека, каждый мужской гаметофит растения доставляет всего два спермия, после чего погибает. «Именно поэтому цветы образуют так много пыльцевых зёрен», — поясняет старший автор исследования Анджа Гейтманн. Биологическая цель этих микроскопических сфер — доставка спермиев от одного цветка к другому.
В отличие от животных, спермии растений не подвижны, поэтому должны быть доставлены непосредственно к яйцеклетке. Рост органа доставки (пыльцевой трубки) критически важен. Ткани женского цветка представляют собой лабиринт огромной сложности. Для навигации пыльцевая трубка способна следовать сигналам, испускаемым женским партнёром. «Мы давно подозревали, что процесс требует не только сложной системы навигации, но и значительных усилий, — объясняет Гейтманн, — но то, сколько силы может создать одна клетка, было неизвестно».
Профессор Университета Конкордия Мутхукумаран Паккирисамми добавляет: «С механической точки зрения процесс роста пыльцевой трубки аналогичен баллонному катетеру для ангиопластики — сила создаётся по принципу гидроскелета, то есть за счёт давления жидкости. Мы создали микроскопический датчик на основе кантилевера, против которого трубкам приходилось с силой толкаться, чтобы продолжить рост».
Микросистемные технологии потребовались из-за крошечного размера пыльцевых трубок (5–20 микрометров в ширину) и, как следствие, ничтожной силы, которую они создают. Для сравнения, толщина человеческого волоса составляет около 100 микрометров.
Исследование было направлено не только на количественное определение силы инвазии, но и на наблюдение за поведением трубки при встрече с физическим препятствием. Учёные заметили, что характерный колебательный рост клетки заметно менялся при контакте с препятствием. Это позволяет предположить, что трубка воспринимает и способна адаптировать свою силу роста в зависимости от механического сопротивления среды. Такое настраиваемое поведение одной клетки иллюстрирует сложность репродуктивного процесса даже у растений.
Команда из Университета Макгилла продолжает изучать инвазивное поведение пыльцевой трубки, чтобы понять, как клеточный механизм роста направляет её к цели и как клетка взаимодействует с женскими тканями. Группа из Университета Конкордия продолжает разработку лабораторий-на-чипе для изучения различных клеточных свойств и поведения.