2019-07-11 07:38:02
超快速通讯可使水生细胞同时释放毒素

斯坦福大学生物工程副教授Manu Prakash在帕洛阿尔托的Baylands自然保护区蹲伏着泥泞,透过他的Foldscope  - 一台价值1.75美元的折纸显微镜观察他自己的发明 - 仔细检查沼泽咸水的居民。他的眼睛在一个名为Spirostomum的大型单细胞生物体上受过训练,他看到它做了一些立即使其成为下一个研究课题的东西。

“我仍然记得第一次看到这个有机体在Foldscope下游泳,”普拉卡什说。 “这是一个巨大的细胞,但它在不到一眨眼间收缩,比几乎任何其他单细胞都加速。当你没想到它时,它就像它消失了。我记得很兴奋,我不得不带细胞回到实验室并仔细观察。“

这一观察是通过一个距离普拉卡什实验室仅5英里的简单工具完成的,现在已经让他和同事们发现了细胞之间新的交流方式,他们在7月10日出版的“自然”杂志上详细介绍了这一点。没有接触和没有电信号或化学信号,个别Spirostomum可以如此紧密地协调它们的超快收缩,使得它们的组似乎同时收缩 - 对捕食者的反应使它们同时释放麻痹毒素。

“生物学中有许多不同的交流方式,但这实际上是我们试图理解的细胞之间的一种新信号,”普拉卡什实验室的博士后学者,该论文的第一作者阿诺德·马蒂斯森说。 “这可能比我们迄今为止描述的更为普遍,并且是许多不同生物体交流的方式。”

从长凳到黑洞

普拉卡什实验室从他们称之为Peggy's Bench的地区收集了各种微生物的野生样本 - 因为附近的纪念长凳命名 - 他们已经来这里多年,通常一周几次。混合盐和淡水,潮汐变化和鸟类迁徙使沼泽成为潜在的生物多样性热点。虽然普拉卡什第一次访问时并不知道这一点。

“拉古尼塔湖已经干涸,我正在寻找一个新的样地,”普拉卡什回忆说,指的是斯坦福大学校园里的一个小型季节性湖泊。 “我在手机上看了GPS地图,看到了这个蓝点。我一开始对它一无所知,但值得一试。”

回到实验室,该小组研究了Spirostomum的野生样本,同时也培养了他们自己的Spirostomum ambiguum培养物,并开始深入研究这种超快速收缩的细节。使用高速成像,他们发现它发生在5毫秒内 - 人眼需要100-400毫秒才能眨眼 - 并且该细胞在此过程中承受的重力约为14倍。当它收缩时,小袋的毒素从细胞边缘脱落并将其内容物释放到周围的液体中。

在实验室的一个深夜,研究人员还注意到,当成团时,细胞似乎同时收缩。

“我们想知道,'距离彼此差不多几厘米的细胞如何同步几乎同时做什么?'”Saad Bhamla说,他是普拉卡什实验室的前博士后研究员,现在是乔治亚理工学院的助理教授。

研究人员通过应用Prakash实验室另一名研究生Deepak Krishnamurthy进行的独立研究的见解,解决了这个谜团,研究了个体细胞如何感知周围水的运动。一旦他们观察到Spirostomum周围的流场,就会发现他们通过流体动力学流动进行通信。

“第一个细胞收缩并产生一个流,它触发第二个细胞,然后触发第三个细胞。因此,你会得到这个传播的触发波,它会穿过整个殖民地,”Mathijssen描述道。 “这些都是巨大的远程涡流,通信的速度达到每秒米数 - 即使每个单元只有1到4毫米长。”

Mathijssen通过Prakash和Krishnamurthy为Krishnamurthy研究已经建立的实验找出了触发第一个细胞收缩的原因。通过从包含S. ambiguum的一对幻灯片中的小孔中小心地吸取液体,Mathijssen模仿了捕食者的食物行为。细胞移动的孔越近,其身体的一端相对于另一端伸展的越多 - 就像物体接近黑洞时发生的那样。通过这个简单且相对较大规模的实验,研究人员确定特定量的身体张力可能导致S. ambiguum内张力门控离子通道的打开或关闭,使其收缩。

狂野的地方

Prakash实验室和Bhamla实验室继续研究S. ambiguum,以了解更多关于这些细胞如何,何时以及为何收缩的信息。他们还想知道他们发现的水动力通信是否被其他生物体使用,因为在自然界中,生成和感知流动对于生存至关重要。作为这项研究和其他工作的一部分,Prakash实验室定期回到Peggy的Bench。

“虽然这个地方对我来说是偶然的发现,但我们正在实验室里开展几个项目,这些项目都受到了我们在这里收集的项目的启发,”普拉卡什站在沼泽边缘时说道。 “这项工作只是我们走出实验室时可以找到的许多隐藏宝石的一个例子 - 实际上任何人都可以通过简单的节俭工具(如Foldscope)发现并开始探索。”

在不久的将来,普拉卡什计划在沼泽地进行广泛的生物多样性调查,收集Spirostomum,其中包括建立一个基于显微镜的现场饲料视频,了解他们学科的水世界,并让本科生探索这个沼泽地。

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