Buet fold origami og topologiske singulariteter muliggør hyperextensibilitet af L. olor

Enkeltcellede protister viser en bemærkelsesværdig mangfoldighed af former og udfører en bred vifte af funktioner, herunder jagt på live byttedyr i dynamiske miljøer.Lacrymaria Olor, et rovdyr ciliate, jager sit bytte ved at lancere en halslignende proboscis, der reversibelt kan udvide mere end 30 gange sin oprindelige kropslængde i<30 s and perform this task repeatably (more than 20,000 times in its life cycle). Such large-scale morphodynamics-an ability to shapeshift in real time-can be quantified by the large strain and strain rate seen in a single cell. Fundamental limits of morphodynamics and how geometry encodes behavior in single cells remain largely unknown.

Protister viser bemærkelsesværdige strategier for at trives i næsten alle økologiske nicher på vores planet, fra dybhavet til vores flodstrømme. Selvom forholdet mellem form og funktion er grundstenen i biologiske studier, har vi stadig en dårlig forståelse, når det kommer til at forklare den eksplosive morfologiske mangfoldighed af protister. Ved at anvende en linse af geometri udforskede vi forbindelsen mellem form og funktion i en ikonisk, shapeshifting -protist,L. Olor, som vides at fange bytte gennem dynamikken i en ultralong halslignende proboscis. Med fremkomsten af ​​forskellige avancerede billeddannelsesværktøjer kortlagde vi subcellulære komponenter, såsom det kortikale cytoskelet og membranarkitektur af denne celle fanget i forskellige morfologiske tilstande, herunder en kontraheret og en udvidet tilstand. Fordi geometri er skalafri, kan de væsentlige træk ved den koblede cytoskeletale-membrane arkitektur fanges i en skaleret fysisk origami-model. I dette arbejde demonstrerer vi, hvordan topologiske singulariteter i denne geometri kan kontrollere fysisk transformation af en celle. Implementeringen af ​​en halslignende fremspring gennem cellulær skala origami er en af ​​de største stamme- og forlængelseshastigheder, der er observeret i en enkelt celle.

Vi sammenlignede den største kendte stamme- og belastningshastigheder i encellemorfodynamik og identificeredeL. Olorsom en outlier. Med billeddannelse i høj opløsning opdagede vi, at denne lineære udvidelse understøttes af en spiralformet arkitektur af det kortikale cytoskelet sammensat af mikrotubulebånd lagdelt i flere lag, der danner membranpletter. Denne særlige geometri opbevarer både membran- og mikrotubulusfilamenter, der er nødvendige for hurtig implementering af en lang proboscis, der danner en buet krølle origami. Den skarpe overgang mellem den foldede og udfoldede tilstand i denne buede fold cellulære origami kontrolleres af tilstedeværelsen af ​​to topologiske singulariteter: en "D-kegle" (udviklet kegle) og en "twist-singularitet" af mikrotubulebåndet. Vi opbyggede også en opskaleret model af denne origami for at afsløre, hvordan den koblede dynamik i D-kegle og twist-gennemgang fører til den ikke-affilte natur (spole) af denne indsættelige origami. Vores arbejde afslører, hvordan topologiske singulariteter kan bruges af en celle til at kontrollere implementering af subcellulære komponenter og afsløre den legemlige karakter af kontrol af adfærd gennem geometri i denne ciliate.

Da nylige undersøgelser fortsætter med at fremhæve vigtige økologiske roller hos protister, er det blevet kritisk at forstå oprindelsen af ​​kompleks opførsel i disse bemærkelsesværdige enkeltceller. Der er blevet lagt meget på kortlægning af den genetiske mangfoldighed af disse celler, men vi ved stadig meget lidt om den morfologiske (geometriske) mangfoldighed og dens funktion i protister som helhed. Ved at kortlægge den subcellulære geometri af cytoskelettet afL. Olor, vi afslørede geometrisk kontrol af ekstrem morfende opførsel i en enkelt celle. Som et levende eksempel på en mikrotubul-mønstret buet fold origami åbner vores dybere forståelse af denne struktur nye døre til syntese af cytoskeletbaserede bioingeniørede materialer med transformerbare egenskaber såsom installationsevne. Vores arbejde giver også direkte inspiration til implementerbar mikrorobotik og lette rumarkitektur. De tegninger, vi har været på udkig efter for at bringe agenturet og indlejret kontrol i mikrorobotik, kan være skjult i almindeligt syn i den geometriske mangfoldighed af protister.