Kavisli kırışıklık origami ve topolojik tekillikler L. olor'un hiperekstrensibilitesini sağlar

Tek hücreli protistler dikkate değer bir form çeşitliliği sergiler ve dinamik ortamlarda canlı av avı da dahil olmak üzere çok çeşitli işlevler elde eder.Lacrymaria Olor, yırtıcı bir siliat, orijinal vücut uzunluğunun 30 katından daha fazla uzatılabilen boyun benzeri bir probosis başlatarak avını avlar.<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.

Protistler, derin denizden nehir akarsularımıza kadar gezegenimizdeki neredeyse tüm ekolojik nişlerde gelişmek için dikkate değer stratejiler sergiliyorlar. Form ve işlev arasındaki ilişki biyolojik çalışmaların temelini olmasına rağmen, protistlerin patlayıcı morfolojik çeşitliliğini açıklamak söz konusu olduğunda hala zayıf bir anlayışa sahibiz. Bir lens geometri uygulayarak, ikonik, şekillendirici bir protistte biçim ve işlev arasındaki bağlantıyı araştırdık,L. OlorAvı, ultralong boyun benzeri bir hortumun dinamikleri ile yakaladığı bilinen. Çeşitli son teknoloji görüntüleme araçlarının ortaya çıkmasıyla birlikte, bu hücrenin, sözleşmeli ve genişletilmiş bir durum da dahil olmak üzere çeşitli morfolojik durumlarda yakalanan bu hücrenin kortikal hücre iskeleti ve membran mimarisi gibi hücre altı bileşenlerini haritaladık. Geometri ölçeksiz olduğundan, birleştirilmiş hücre-iskelet-membran mimarisinin temel özellikleri ölçeklendirilmiş bir fiziksel origami modelinde yakalanabilir. Bu çalışmada, bu geometrideki topolojik tekilliklerin bir hücrenin fiziksel dönüşümünü nasıl kontrol edebileceğini gösteriyoruz. Hücresel ölçekli origami yoluyla boyun benzeri bir çıkıntının dağıtılması, tek bir hücrede gözlenen en büyük gerilme ve uzatma oranlarından biridir.

Tek hücreli morfodinamikte bilinen en büyük gerilme ve gerinim oranlarını karşılaştırdık ve tanımladıkL. Olorbir aykırı olarak. Yüksek çözünürlüklü görüntüleme ile, bu doğrusal uzantının, membran pileleri oluşturan çoklu katmanlarda katmanlı mikrotübül bantlarından oluşan kortikal hücre iskeletinin sarmal bir mimarisi tarafından desteklendiğini keşfettik. Bu özel geometri, uzun bir hortumun hızlı bir şekilde dağıtılması için gerekli olan hem membran hem de mikrotübül filamentlerini depolar ve kavisli bir kırışıklık origami oluşturur. Bu kavisli kırışıklık hücresel origami'deki katlanmış ve katlanmamış durum arasındaki keskin geçiş, iki topolojik tekilliğin varlığı ile kontrol edilir: bir "D-kolu" (geliştirilebilir koni) ve mikrotübül bandının bir "bükülme tekilliği". Ayrıca, bu origami'nin d-konunun birleştirilmiş dinamiklerinin ve bükülme geçişinin bu konuşlandırılabilir origami'nin affin olmayan doğasına (lokulma) nasıl yol açtığını ortaya çıkarmak için ölçeklendirilmiş bir model oluşturduk. Çalışmamız, topolojik tekilliklerin, hücre altı bileşenlerin dağıtımını kontrol etmek için bir hücre tarafından nasıl kullanılabileceğini ve bu siliattaki geometri yoluyla davranış kontrolünün somutlaşmış doğasını çözdüğünü ortaya koymaktadır.

Son çalışmalar protistlerin önemli ekolojik rollerini vurgulamaya devam ettikçe, bu dikkat çekici tek hücrelerde karmaşık davranışın kökenlerini anlamak kritik hale gelmiştir. Bu hücrelerin genetik çeşitliliğini haritalamaya çok çaba sarf edildi, ancak hala morfolojik (geometrik) çeşitlilik ve genel olarak protistlerdeki işlevi hakkında çok az şey biliyoruz. Hücre iskeletinin hücre altı geometrisini haritalayarakL. Olor, tek bir hücrede aşırı dönüşüm davranışının geometrik kontrolünü ortaya çıkardık. Mikrotübül-desenli kavisli kırışıklık origami'nin canlı bir örneği olarak, bu yapıyı daha derin anlayışımız, dağıtılabilirlik gibi dönüştürülebilir özelliklere sahip hücre iskeleti bazlı biyomühendiser malzemelerin sentezi için yeni kapılar açar. Çalışmamız ayrıca konuşlandırılabilir mikrorobotik ve hafif uzay mimarisi için doğrudan ilham kaynağı. Mikorobotiklere ajans ve gömülü kontrolü getirmek için aradığımız planlar, protistlerin geometrik çeşitliliğinde açık bir şekilde gizlenebilir.