Клеточные филаменты, задающие ритм

Новая модель описывает координацию биения ресничек, позволяя исследователям предсказывать их функциональное поведение. Сотрудники Института динамики и самоорганизации Макса Планка (MPIDS) проанализировали формирование метахронных волн в массивах ресничек и то, как внешние сигналы могут на них влиять. Модель позволяет лучше понять ключевую роль, которую реснички играют во многих биологических процессах, и закладывает основу для управления ими. Это может в конечном итоге улучшить соответствующую медицинскую диагностику и лечение, а также поможет в проектировании искусственных систем, используемых в микроразмерной инженерии.

Реснички — это нитевидные, волосоподобные структуры, которые можно найти почти на всех клетках человеческого тела. В зависимости от ткани они выполняют множество важных задач, таких как транспорт слизи в трахее, обеспечение доступа к питательным веществам и индукция лево-правой асимметрии во время эмбрионального развития. В своей роли контролёров крупномасштабного транспорта жидкости подвижные реснички совершают циклические ударные движения. Таким образом они передают механические сигналы соседним ресничкам и коллективно создают так называемые метахронные волны. Обычно в создании такой волны участвуют тысячи ресничек, поэтому их движение должно быть хорошо отрегулировано для обеспечения — и оптимизации — их биологической функции. Из-за подавляющей сложности и многоуровневой природы явления механистическое понимание самоорганизации ресничек в метахронные волны до сих пор отсутствовало. «Наша модель позволяет глубоко понять организацию массивов ресничек», — объясняет профессор Рамин Голестанян, главный исследователь исследования и директор департамента физики живой материи в MPIDS. «Впервые мы теперь можем предсказать параметры и свойства формирующейся метахронной волны».

Поведение ресничек зависит как от внешних, так и от внутренних факторов

Создание таких моделей для массивов ресничек необходимо для понимания того, как внешние и внутренние факторы могут влиять на функцию системы. Например, изменения концентрации определённых химических веществ или компонентов в окружающей среде вызывают изменения в малом масштабе и, таким образом, могут изменить возникающие волны и привести к системной дисфункции. Чтобы понять это, необходимо многоуровневое описание явления. Со времён основополагающих работ Г. И. Тейлора много десятилетий назад известно, что гидродинамические взаимодействия между ресничками могут приводить к их координации. Другими словами, координацию ресничек можно объяснить тем, что возникающий поток от удара одной реснички влияет на поведение всего массива, что в конечном итоге вызывает метахронную волну. Новая модель, предложенная Фаньлун Мэном, Рэйчел Беннетт, Нарией Учидой и Рамином Голестаняном, позволяет учитывать условия многих независимо бьющихся ресничек, которые координируют свои удары. В своей модели авторы сосредотачиваются на фундаментальных свойствах ресничек, таких как их различные гармоники биения или геномные характеристики. Комбинируя их с особенностями возникающих волн, они создают мощную теоретическую основу для описания массивов ресничек.

Таким образом, новая модель способна как объяснить изменённые свойства, так и делать прогнозы о коллективном поведении ресничного массива. «Поскольку это позволяет лучше понять организацию в микроскопическом масштабе, исследование закладывает основу для множества потенциальных применений», — добавляет Голестанян. Они могут включать диагностическую оценку неисправности в биологических образцах, новые подходы к медицинскому лечению, манипулирующему поведением ресничек, или проектирование искусственных систем с использованием метахронных волн.