Führung der Fortbewegung von Würmern mit magnetisch rekonfigurierbaren Mikrotopographien

Der lebende Wurm Caenorhabditis elegans (C. elegans) hat ~60% Genähnlichkeit mit dem Menschen. Diese Ähnlichkeit wurde untersucht, um Therapien für altersbedingte Krankheiten wie Alzheimer und Amyotrophe Lateralsklerose zu entwickeln. Die Forschung zu diesen Würmern muss jedoch vorangetrieben werden, um Beziehungen zwischen Fortbewegungsfähigkeiten und sensorischen Neuronen aufzudecken.

Forscher der Hanyang University haben eine physikalisch geführte multimodale Fortbewegung der Würmer unter Verwendung magnetisch formrekonfigurierbarer Mikrotopographien demonstriert. Ihre Forschung wurde kürzlich auf der Titelseite von präsentiert Fortgeschrittene Wissenschaft.

Die Studie, erschienen in Fortgeschrittene Wissenschaft, ist der erste, der selektiv Fortbewegungsmodi von C. elegans in Abhängigkeit von Änderungen in der mikrotopografischen Umgebung des Wurms manifestiert, sowie die erste Studie, die die Möglichkeit vorschlägt, C. elegans als Biobot im Submillimeterbereich zu nutzen. Der Biobot, ein Wort, das Bio und Bot (Roboter) kombiniert, impliziert, dass der Mensch das Verhalten des nichtmenschlichen Lebewesens kontrollieren kann.

Herkömmliche Roboter arbeiten mit einer Batterie und kompliziert durch Software programmierten Schaltkreisen. Der lebende Wurm bewegt sich jedoch, indem er die Umgebung wahrnimmt. Unter Verwendung von sensorischen Neuronen, die sich in seinem Kopf, Körper und Schwanz befinden, reagiert der Wurm mit komplexer krummliniger Beweglichkeit, ohne dass zusätzliche Geräte implantiert werden müssen.

C. elegans schwimmt zum Beispiel in barrierefreien Kammern sinusförmig. Bei Topographien mit rechteckigen Mikrobarrieren bewegt sich der Wurm jedoch linear, indem er die Barrieren mit seinen Neuronen mechanisch abtastet. Zusammen mit dieser linearen Übersetzung sucht C. elegans Wege, die für seinen kurvigen Körper, der wie eine Schlange geformt ist, günstig sind. Die Forscher nennen dies eine Navigationsbewegung, die zwischen rechteckigen Mikrobarrieren hindurchgeht.

Ein einzigartiger Punkt dieser Arbeit ist, dass die Mikrobarrieren, bestehend aus Eisenpartikeln und elastomeren Polymeren, ihre Morphologie bei zunehmender magnetischer Flussdichte ändern können. C. elegans nimmt Änderungen der Barrierenabstände und -höhen von Mikrobarrieren wahr und wandelt Fortbewegungsmodi von der Navigationsbewegung in eine Umgehungsbewegung oder Klettern um.

Insbesondere haben die Forscher die Fortbewegungsselektivität von C. elegans nachgewiesen. Der Biobot zeigt Umgehungsbewegungen an verdrehten und paarigen Mikrobarrieren, während Klettern an verdrehten und gebogenen Mikrobarrieren auftritt. Diese beiden Typen werden als labyrinthartige bzw. treppenartige Mikrotopographie betrachtet.

Für eine labyrinthartige Topographie bieten die verdrillten und gepaarten Mikrobarrieren C. elegans einen verengten Spalt zwischen den Barrierenbasen. Da diese Lücke schmaler ist als Kopflängen und Körperbreiten von C. elegans, kann der Wurm diese Mikrotopographie nicht passieren und umgeht Pfade. Im Fall der treppenartigen Topographie dienen die verdrehten und gebogenen Mikrobarrieren als Mikrostufen zum Klettern für C. elegans. Interessanterweise wird dieses Klettern schneller, wenn die Höhe der Mikroschritte mit der Kopflänge von C. elegans vergleichbar wird. Die Geschwindigkeiten des Kletterns und der Umgehungsbewegung sind die schnellsten ~0,46 BL s−1 bzw. die langsamsten ~0,09 BL s−1 im Vergleich zu anderen Fortbewegungsarten, über die in dieser Arbeit berichtet wird.

Darüber hinaus zeigen die Forscher, dass sich diese multimodalen Fortbewegungsmodi deutlich zwischen dem Wildtyp und Mutantenstämmen unterscheiden, die Genstörungen in den Neuronen von Kopf, Körper und Schwanz aufweisen. Insbesondere kann der trp-4(sy695)-Stamm die Mikrotopographie aufgrund der Mutation von Kopf-/Schwanzneuronen nicht umgehen, während der mec-4(e1339)-Stamm die Mikrotopographie aufgrund der Mutation von Körperneuronen nicht erklimmen kann.

Diese Forschung ist der erste Bericht über Fortbewegungsarten von Würmern, die physikalisch durch magnetisch rekonfigurierbare Mikrotopographien gesteuert werden, nicht durch elektrische Stimulation oder chemische Behandlungen. Zukünftige Forschungen werden aktuelle Erkenntnisse mit Hilfe von Computersimulationen erweitern, die dazu beitragen werden, Wirkstoff-Screening-Plattformen zur Behandlung neurologischer Erkrankungen beim Menschen zu etablieren. Die Wirksamkeit eines in der Entwicklung befindlichen Arzneimittels kann bestätigt werden, indem beobachtet wird, ob C. elegans vom Wildtyp und Mutantenstämme Fortbewegungsmodi mit wiedererlangter Mechanosensorik nach Arzneimittelbehandlungen ausführen.