Origami lipatan melengkung dan singulariti topologi membolehkan hiperekstensi L. olor

Protisis berselepan tunggal memaparkan kepelbagaian bentuk yang luar biasa dan mencapai pelbagai fungsi, termasuk memburu mangsa hidup dalam persekitaran yang dinamik.Lacrymaria Olor, ciliate pemangsa, memburu mangsanya dengan melancarkan proboscis leher yang boleh membalikkan lebih dari 30 kali panjang badan asalnya<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 memaparkan strategi yang luar biasa untuk berkembang maju di hampir semua niche ekologi di planet kita, dari laut dalam ke sungai sungai kita. Walaupun hubungan antara bentuk dan fungsi adalah dasar kajian biologi, kita masih mempunyai pemahaman yang buruk ketika datang untuk menjelaskan kepelbagaian morfologi yang meletup. Dengan menggunakan lensa geometri, kami meneroka hubungan antara bentuk dan fungsi dalam protis yang ikonik, shapeshifting,L. Olor, yang dikenali untuk menangkap mangsa melalui dinamik proboscis yang tidak seperti ultralong. Dengan kemunculan pelbagai alat pengimejan canggih, kami memetakan komponen subselular seperti sitoskeleton kortikal dan seni bina membran sel ini yang ditangkap dalam pelbagai keadaan morfologi, termasuk keadaan yang dikontrak dan lanjutan. Kerana geometri adalah percuma, ciri-ciri penting seni bina cytoskeletal-membran yang digabungkan dapat ditangkap dalam model origami fizikal yang berskala. Dalam kerja ini, kami menunjukkan bagaimana singulariti topologi dalam geometri ini dapat mengawal transformasi fizikal sel. Penggunaan penonjolan leher melalui origami skala selular adalah salah satu daripada kadar ketegangan dan lanjutan terbesar yang diperhatikan dalam satu sel.

Kami membandingkan kadar ketegangan dan ketegangan terbesar dalam morfodinamik sel tunggal dan dikenal pastiL. Olorsebagai outlier. Dengan pengimejan resolusi tinggi, kami mendapati bahawa lanjutan linear ini disokong oleh seni bina heliks sitoskeleton kortikal yang terdiri daripada band microtubule yang berlapis dalam pelbagai lapisan yang membentuk lipatan membran. Geometri khusus ini menyimpan kedua -dua filamen membran dan microtubule yang diperlukan untuk penggunaan cepat proboscis yang panjang, membentuk origami lipatan melengkung. Peralihan tajam antara keadaan yang dilipat dan terungkap dalam origami selular melengkung ini dikawal oleh kehadiran dua singulariti topologi: "D-cone" (konvisioner yang boleh dibangunkan) dan "singulariti twist" dari band microtubule. Kami juga membina model skala origami ini untuk mendedahkan bagaimana dinamik D-con dan Twist Traversal membawa kepada sifat nonaffine (spooling) dari origami yang boleh digunakan ini. Kerja kami mendedahkan bagaimana singulariti topologi boleh digunakan oleh sel untuk mengawal penggunaan komponen subselular dan membongkar sifat terkandung kawalan tingkah laku melalui geometri dalam ciliate ini.

Oleh kerana kajian baru -baru ini terus menyerlahkan peranan ekologi penting protis, ia menjadi kritikal untuk memahami asal -usul tingkah laku yang kompleks dalam sel -sel tunggal yang luar biasa ini. Banyak usaha telah dimeteraikan kepelbagaian genetik sel -sel ini, tetapi kita masih tahu sedikit tentang kepelbagaian morfologi (geometri) dan fungsinya dalam protisis pada umumnya. Dengan memetakan geometri subselular sitoskeletonL. Olor, kami menemui kawalan geometri tingkah laku morphing yang melampau dalam satu sel. Sebagai contoh hidup microtubule-patah crease origami, pemahaman yang lebih mendalam tentang struktur ini membuka pintu baru untuk sintesis bahan bioengineered berasaskan sitoskeleton dengan ciri-ciri yang boleh diubah seperti kebolehpercayaan. Kerja kami juga memberikan inspirasi langsung untuk microrobotics yang boleh dikerahkan dan seni bina ruang ringan. Pelan tindakan yang kami cari untuk membawa agensi dan kawalan tertanam dalam mikrorobotik mungkin tersembunyi di hadapan dalam kepelbagaian protisis geometri.