Микропловцы сталкиваются со стенкой (видео)
Новое исследование раскрывает, что происходит, когда плавающие клетки, такие как сперматозоиды и водоросли, сталкиваются с твёрдой стенкой. Результаты имеют значение для диагностики и производства биотоплива.
Исследование, опубликованное 7 января, показывает, что микробы «ощупывают» путь вдоль твёрдой поверхности, подобно человеку с завязанными глазами, движущемуся вдоль стены.
С помощью высокоскоростной микроскопии учёные Кембриджского университета обнаружили, что сперматозоиды накапливаются у поверхностей, а клетки водорослей от них отталкиваются. Это происходит из-за контакта поверхности с жгутиками или ресничками клеток — волосовидными отростками, которые обеспечивают движение в жидкой среде.
Взаимодействие плавающих клеток с поверхностями играет ключевую роль во многих микробиологических процессах, особенно в образовании бактериальных биоплёнок и оплодотворении яйцеклетки. Однако физические механизмы, управляющие накоплением микробов у поверхностей, были мало изучены.
Новые эксперименты, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences (США), проведённые группой профессора Рэймонда Голдштейна, показывают, что эти взаимодействия гораздо сложнее, чем считалось ранее.
Доктор Василий Канцлер, проводивший эксперименты, заявил: «Существующие теории предполагали, что эти процессы управляются гидродинамическими силами дальнего действия — движением жидкости вокруг клеток. Но наши наблюдения показывают, что ими управляют механические свойства самих клеток».
Сперматозоиды и клетки водорослей по-разному реагируют на стенку из-за разного типа движения:
- Сперматозоиды — это «толкающие пловцы» с одним задним жгутиком.
- Зелёные водоросли (например, Chlamydomonas) — это «тянущие пловцы», которые движутся за счёт «брассоподобных» взмахов парой передних жгутиков.
Исследование объясняет, почему сперматозоиды надолго «застревают» у поверхностей, что важно для понимания физики оплодотворения.
Кроме того, это открытие можно использовать в отношении Chlamydomonas — модельного организма, представляющего интерес как источник терапевтических белков и биотоплива. Канцлер вместе с докторами Йорном Дункелем и Марко Полином показал, как можно создать оптимальные микрофлюидные «храповики» (воронкообразные устройства), чтобы направлять движение водорослей и создавать градиенты концентрации для биотехнологий.
«Это отличный пример того, что, как сказал бейсболист и тренер Йоги Берра, "можно многое увидеть, просто наблюдая"», — сказал профессор Голдштейн.
«Разработав методы визуализации этих высокоскоростных событий у поверхности, мы сразу увидели, что переориентация клеток полностью определяется геометрией их жгутиков. Клетки Chlamydomonas поворачивают вдоль поверхности, как человек с завязанными глазами, ощупывающий стену ближайшей рукой. Это совершенно не похоже на преобладавшую до сих пор гидродинамическую картину».
Поскольку многие свойства ресничек консервативны у эукариот, их взаимодействие с поверхностями, вероятно, играет важную роль для широкого спектра природных микропловцов. Это открывает перспективы для создания новых диагностических инструментов и микрофлюидных устройств для сортировки сперматозоидов и других плавающих клеток.