Tajemství bleskurychlého smršťování: Mikroskopický organismus inspiruje vědce k vývoji umělých svalů

Vědci odhalili tajemství neuvěřitelně rychlého smršťování jednobuněčného organismu Spirostomum ambiguum, který se dokáže zmenšit na čtvrtinu své délky za méně než 5 milisekund. To je 200krát rychleji, než člověk mrkne okem, a stovkykrát rychleji než lidské svaly.

Vědci odhalili tajemství neuvěřitelně rychlého smršťování jednobuněčného organismu Spirostomum ambiguum, který se dokáže zmenšit na čtvrtinu své délky za méně než 5 milisekund. To je 200krát rychleji, než člověk mrkne okem, a stovkykrát rychleji než lidské svaly. Tento objev, publikovaný v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences, má zásadní význam pro návrh rychlejších umělých svalů a syntetických buněčných mechanismů.

Spirostomum ambiguum je obří jednobuněčný nálevník, který se pohybuje pomocí řady chloupků zvaných brvy. Je známý svou schopností smršťovat se rychlostí přibližně 100 délek těla za sekundu a tento pohyb rychle opakovat, což pravděpodobně využívá k úniku před predátory nebo ke komunikaci s ostatními nálevníky. Lidská svalová vlákna se sice dokážou zkrátit podobným poměrem, ale trvá jim to přibližně desetkrát déle. Vědci se o Spirostomum zajímají právě kvůli mechanickým rozdílům, které stojí za jeho schopnostmi.

„Rozdíl mezi tím, co dokáže Spirostomum a co my, spočívá v tom, co pohání kontrakci a jak vypadá mechanismus za ní,“ říká Mary Elting, docentka biofyziky na North Carolina State University. „Pokud dokážeme těmto procesům porozumět, mohlo by nám to pomoci vybudovat syntetické systémy, které napodobují rychlost a sílu tohoto jednobuněčného organismu.“

Výzkumníci použili elektronovou a imunofluorescenční mikroskopii k prozkoumání Spirostomum a zjistili, že organismus využívá vápníkové ionty ke spuštění kontrakce a jedinečnou strukturu připomínající rybářskou síť k dokončení pohybu. Jednobuněčné organismy, jako je Spirostomum, nemají svalová vlákna. Místo toho mají myonemy, vláknité struktury uvnitř buňky složené z proteinů centrin a Sfi1, které vážou vápník. U Spirostomum tyto myonemy tvoří síťovitou strukturu po vnějším povrchu organismu. Po spuštění kontrakce se síť stáhne do sebe a poté se vrátí do původního stavu.

„Geometrie rybářské sítě je jedinečná, protože umožňuje Spirostomum smršťovat se rovnoměrně, což chrání jeho vnitřní organely (obdoby orgánů u jednobuněčných organismů), zatímco se tak rychle pohybuje,“ vysvětluje Elting. „Funguje to tak, že protein Sfi1 v myonemu se může měnit z tuhého na pružný. V přítomnosti vápníkových iontů ztrácí Sfi1 svou tuhost a shlukuje se jako klubko mokrých špaget, což způsobí, že se rybářská síť stáhne a organismus se zmenší.“ U lidí adenosintrifosfát (ATP) ukládá a uvolňuje energii do svalových vláken, čímž spouští kontrakci.

„Srovnávat způsob, jakým se stahují naše svaly, s tím, jak funguje Spirostomum, je jako srovnávat benzínový a elektrický pohon,“ říká Elting. „ATP prochází chemickou změnou a ‚spálí se‘ jako benzín, zatímco vápníkové ionty fungují jako elektrický proud, ačkoli stále nevíme, co produkuje napětí, které proud spouští, ani jak se ‚resetuje‘, aby mohla kontrakce proběhnout znovu.“ Další kroky výzkumníků zahrnují další studium vápníkového spouštěče a toho, jak se Spirostomum dokáže po každé kontrakci resetovat. „Očekávali bychom, že reakce spuštěné vápníkem budou ‚jednorázové‘, ale Spirostomum to dokáže opakovaně,“ dodává Elting. „Pochopení těchto aspektů jeho pohybu je klíčové pro vybudování rychle se pohybujícího umělého svalu nezávislého na ATP.“