Die vielen Bewegungen der Zilien

Zilien sind winzige, haarähnliche Strukturen auf Zellen in unserem ganzen Körper, die eine Vielzahl von Funktionen erfüllen, darunter die Reinigung unserer Atemwege, die Zirkulation von Liquor cerebrospinalis in unserem Gehirn und den Transport von Eiern in den Eileitern. Während Forscher ihre Funktion verstehen, verstehen sie nicht vollständig, wie sie die spezialisierten Bewegungen erzeugen, um diese Funktionen auszuführen.

Ein Forscherteam der McKelvey School of Engineering an der Washington University in St. Louis unter der Leitung von Louis Woodhams, Senior Lecturer, und Philip V. Bayly, Lee Hunter Distinguished Professor und Vorsitzender des Department of Mechanical Engineering & Materials Science, entwickelte ein neuartiges mathematisches Modell des Ciliums, das aufgrund einer mechanischen Instabilität namens „Flattern“ schlägt, die unter konstanten Kräften entsteht, die durch das Motorprotein Dynein erzeugt werden. Diese Flatterinstabilität im Mikromaßstab ähnelt dem aerodynamischen Flattern in größeren Systemen, das zum bekannten Einsturz der Tacoma Narrows Bridge führte, und tritt auch in Flugzeugflügeln und Turbinenschaufeln auf.

Die Ergebnisse der Forschung erschienen auf dem Cover der August-Ausgabe von Zeitschrift der Royal Society Interface.

Zilien schlagen auf unterschiedliche Weise: Das Flagellum am Schwanz einer Samenzelle drückt Flüssigkeit symmetrisch, während andere Arten von Zilien asymmetrisch ziehen, ähnlich wie beim Brustschwimmen eines Schwimmers. Wieder andere, wie Zilien im embryonalen Knoten, bewegen sich in einer kreisförmigen oder wirbelnden Bewegung.

„Wir haben ein benutzerdefiniertes Finite-Elemente-Modell erstellt, das es uns ermöglicht, den Parameterraum des Modells effizient zu untersuchen und uns ein Porträt des Systemverhaltens zu geben“, sagte Woodhams, Erstautor des Papiers. „Dieses Modell kann verwendet werden, um symmetrische, asymmetrische und 3D-Schlagformen von Zilien zu erklären.“

Das Team baute ein Modell mit sechs Filamenten auf der Außenseite und einem auf der Innenseite, das eine Annäherung an die Struktur des Flagellenaxonems war, dem Bündel von Mikrotubuli, die den zentralen Kern eines Ciliums bilden. Da viele Proteinstrukturen im Axonem zu klein sind, um ihre Eigenschaften direkt zu messen, erlaubte ihnen das mathematische Modell zu untersuchen, wie die Kopplung zwischen einzelnen Filamenten die Schlagfrequenz und -form beeinflussen würde.

„Mit diesem Modell könnten wir verschiedene Größen der Dynein-Kraft und verschiedene Steifigkeiten der internen Strukturen ausprobieren“, sagte Woodhams. „Der Versuch, das System mit kommerzieller Software zu simulieren, kann Stunden dauern, um ein System zu lösen. Mit diesem Ansatz können wir Tausende von Parameterpunkten lösen und eine Momentaufnahme des Verhaltens des Systems über viele verschiedene Punkte erhalten.“

Baylys Labor hat mit Zilien als Modell gearbeitet, um Vibrationen, Wellenbewegungen und Instabilitäten in mechanischen und biomedizinischen Systemen zu untersuchen. Die neue Forschung baut auf früheren Arbeiten auf, indem sie eine effiziente Eigenwertanalyse ermöglicht, die die Schwebungsfrequenz und -form in einem Multifilamentmodell des Axonems unter Verwendung von kundenspezifisch abgeleiteten Finite-Elemente-Matrizen charakterisiert. Das Modell enthält eine neue mathematische Darstellung des Dynein-Motorproteins, das innere Kräfte und Momente genau dann ausgleicht, wenn sich das Axonem verformt.

„Louies Modell ist ein wichtiger Beitrag auf diesem Gebiet. Es zeigt rigoros und klar, dass eine mechanische Flatterinstabilität dem Zilienschlag zugrunde liegen könnte – einem der allgegenwärtigsten und wichtigsten biophysikalischen Phänomene in der Natur“, sagte Bayly.