花样游泳：微观的生物学

 
玻璃微通道的照片。侧壁之一已被移除，以在通道中心露出细长的玻璃微圆柱体。包含1日元的硬币，用于缩放比例。致谢：冲绳科技大学专门的细小流体流经人体关节，有助于构成粘液等物质。这些液体包含诸如聚合物或蛋白质之类的长而柔韧的分子，使它们能够拉伸和吸收震动。
但是，科学家们尚未完全了解这些神秘的流体如何与小规模的生物结构相互作用。特别令人感兴趣的结构是附着在细胞膜上的纤毛状微小的头发状突起，起伏起起执行诸如清除气道中污染物的功能。这些流体-结构相互作用对于精确地了解纤毛如何运动以履行其生物学职责非常重要。但是，这些相互作用的发生规模很小，以至于很难进行实验研究。
现在，冲绳科技大学研究生院(OIST)的微生物/生物/纳米流体学部门的研究人员已经确定了这些所谓的粘弹性流体如何在纤毛周围流动的一些关键特征。粘弹性流体像糖蜜一样具有粘性，并且具有弹性。研究人员说，这项发表在《小》上的研究表明，正是流体的弹性驱动了纤毛的规律运动。
进入很小的世界
为了进行实验，科学家们在熔融石英玻璃中挖出了微通道。这些通道包含一个或两个连接到通道一侧(代表纤毛)的柔性圆柱体。
帖子尖端的高速视频显微镜，展示了它们的高度同步运动。原始显微镜视频显示在上方，顶部和跟踪位置都叠加在视频上。左下方和右下方的图分别显示了帖子的X和Y位置如何随时间变化。图片来源：冲绳科学技术大学然后，科学家使用注射泵以精确控制的速度推动粘弹性溶液通过玻璃微通道。实验液中含有蠕虫状的胶束(也称为活性聚合物)，它们是微米级的柔性结构，模仿人体液中存在的生物分子的运动。
研究人员进行了一系列测量，使用了三台不同光学技术的独立高倍显微镜，以捕获流体与立柱相互作用时的行为和特性。
首先，科学家使用一种称为微粒图像测速的方法来记录流体在柱子周围流动时的速度。他们观察到，流体优先在柱子的一侧移动，而实际上静止的流体在另一侧。但是，在某些流速下，固定侧的流体开始以急速运动的形式流动。
随着流体的移动，立柱开始摆动。该小组负责人西蒙·海沃德(Simon Haward)博士说：“这项研究的一个重要方面是我们能够使用高速视频显微镜仔细地追踪职位随时间的变化。
使用一种称为高速偏振光显微镜的方法，他们还能够追踪圆柱状柱周围蠕虫状胶束弹性拉伸的区域，并将拉伸量与柱的位置相关联。
研究人员说，在与液体相互作用时，彼此靠近的两个柱开始几乎完全同步地振荡，这表明液体弹性正在介导细胞纤毛的同步跳动。
高速偏振光显微镜显示蠕虫状胶束在两个圆柱柱周围流动时的弹性拉伸，用白色圆圈表示。该图的颜色表示拉伸程度，其中黑色表示没有拉伸，白色表示高度拉伸。图片来源：冲绳科学技术大学“这项工作的同步时间动态完全是由流体本身赋予的，”该研究的第一作者卡梅伦·霍普金斯博士说。 “但是，这仅在特定条件下发生。如果我们增加流量并因此增加流体弹性的影响，那么我们将失去振荡的规律性，并且变得不稳定。”
开发新的生物学模型
展望未来，科学家们希望研究圆柱柱之间的柔韧性和距离的变化将如何影响其行为。霍普金斯和他的同事们还希望在一个更大的系统中重复该实验，该系统最多具有二十个圆柱体，以模拟一系列纤毛。
“我们目前的实验装置是理想化的几何结构，当然，实际的生物系统要复杂得多，”微生物/生物/纳米流体学系主任沉爱美教授说。 “目前的模型是更复杂，更生物学相关的踏脚石。”
研究人员希望，进一步的研究将有助于阐明非常小的物体的物理现象，也许可以洞悉我们细胞内部发生的动态运动。