Böjd veck Origami och topologiska singulariteter möjliggör H. Olors hyperextensibilitet

Encelliga protister visar en anmärkningsvärd mångfald av former och uppnår ett brett utbud av funktioner, inklusive jakt live byte i dynamiska miljöer.Lacrymaria olor, en rovdjur, jagar sitt byte genom att lansera en nackliknande proboscis som reversibelt kan sträcka sig mer än 30 gånger sin ursprungliga kroppslängd 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.

Protists visar anmärkningsvärda strategier för att trivas i nästan alla ekologiska nischer på vår planet, från djuphavet till våra flodströmmar. Även om förhållandet mellan form och funktion är berggrunden för biologiska studier, har vi fortfarande en dålig förståelse när det gäller att förklara den explosiva morfologiska mångfalden hos protister. Genom att tillämpa en linsslins undersökte vi länken mellan form och funktion i en ikonisk, formskiftande protist,L. olor, som är känt för att fånga byte genom dynamiken i en ultralong nackliknande proboscis. Med tillkomsten av olika banbrytande avbildningsverktyg kartlade vi subcellulära komponenter såsom det kortikala cytoskelett- och membranarkitekturen för denna cell som fångats i olika morfologiska tillstånd, inklusive ett kontrakterat och ett utökat tillstånd. Eftersom geometri är skalafri kan de väsentliga egenskaperna hos den kopplade cytoskeletal-membranarkitekturen fångas i en uppskalad fysisk origamimodell. I detta arbete visar vi hur topologiska singulariteter i denna geometri kan kontrollera fysisk omvandling av en cell. Utplaceringen av ett nackliknande utsprång genom cellulär skala origami är en av de största belastnings- och förlängningshastigheterna som observerats i en enda cell.

Vi jämförde största kända stam- och töjningshastigheter i encellig morfodynamik och identifieradesL. olorsom en outlier. Med högupplöst avbildning upptäckte vi att denna linjära förlängning stöds av en spiralformad arkitektur av det kortikala cytoskelettet som består av mikrotubulband i skikt i flera lager som bildar membran veck. Denna speciella geometri lagrar både membran- och mikrotubulfilament som är nödvändiga för snabb distribution av en lång proboscis, och bildar en krökt veck origami. Den skarpa övergången mellan det vikta och utbredda tillståndet i detta böjda veck Cellular Origami styrs av närvaron av två topologiska singulariteter: en "D-cone" (utvecklingsbar kon) och en "twist singularitet" i mikrotubulbandet. Vi byggde också en uppskalad modell av denna origami för att avslöja hur den kopplade dynamiken i D-CONE och Twist Traversal leder till nonaffinens natur (spolning) av denna utplacerbara origami. Vårt arbete avslöjar hur topologiska singulariteter kan användas av en cell för att kontrollera utplacering av subcellulära komponenter och förkroppsligar den förkroppsliga karaktären av kontroll av beteende genom geometri i detta ciliat.

När de senaste studierna fortsätter att lyfta fram viktiga ekologiska roller för protister har det blivit avgörande att förstå ursprunget till komplext beteende i dessa anmärkningsvärda enstaka celler. Mycket ansträngning har gjorts på att kartlägga den genetiska mångfalden i dessa celler, men vi vet fortfarande mycket lite om den morfologiska (geometriska) mångfalden och dess funktion hos protister i stort. Genom att mappa den subcellulära geometrien för cytoskelettet avL. olor, vi avslöjade geometrisk kontroll av extremt morfande beteende i en enda cell. Som ett levande exempel på en mikrotubul-mönstrad krökt veck origami, öppnar vår djupare förståelse av denna struktur nya dörrar för syntes av cytoskelettbaserade bioingenjörerade material med omvandlingsegenskaper såsom distributbarhet. Vårt arbete ger också direkt inspiration för distribuerbar mikrorobotik och lätt rymdarkitektur. De ritningar vi har letat efter för att ta med byrå och inbäddad kontroll i mikrorobotik kan vara dolda i synen i den geometriska mångfalden hos protister.