Крошечный одноклеточный организм Spirostomum ambiguum способен свернуть свое тело до одной четверти от исходной длины за менее чем пять миллисекунд — скорость, сотни раз быстрее мигания человека. Исследование выявило необычный механизм, который обеспечивает такое резкое движение, и объясняет, почему этот процесс вызывает интерес как в биофизике, так и в инженерии искусственных мышц.

Учёные описали «сетчатую» структуру из белков и центриноподобных соединений, окружившую клетку извне, и роль кальциевых ионов в инициировании сокращения. Использованные методы электронно-микроскопии и иммунфлуоресценции позволили проследить, как кальций запускает процесс, а сеть подобной рыболовной сетки «тискает» волокна внутрь, после чего возвращается в исходное состояние.

По словам Мэри Элтинг, ведущей биофизикессы из Северной Каролины, разница в скорости между сокращением Spirostomum и человеческими мышцами обусловлена тем, чем питает ся сокращение и как устроено аппаратура. В отличие от ATP, которое расходуется химически, кальций действует как некий электрический ток, хотя точный источник напряжения и механизм «перезагрузки» остаются неясными. Уточнение этих процессов может позволить построить синтетические системы, повторяющие скорость и мощность этого мельчайшего организма.

Ученые надеются, что принципы, лежащие в основе повторной активации и настройки кальций-зависимой контрактной системы Spirostomum, помогут в создании быстрых искусственных мышц без зависимости от ATP. Эмпирические выводы могут привести к новым подходам к проектированию синтетических устройств, основанных на подобной архитектуре сетки и управлении ионами кальция.

Авторы работы — профессор химии Аарон Диннер (Чикагский университет), профессор биологии Джерри Хонтс (Дрейк-университет) и доцент Саад Бхалма (Калифорния, Боулдер) — подчеркивают, что и другие участники проекта, включая Джозефа Ланна и Питера Томпсона из NC State, а также коллег из Чикаго,Georgia Tech и UCSF, внесли вклад в этот междисциплинарный проект. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences и финансировалось NSF и NIGMS, с указанием ряда номерoв контрактов.

Ход исследования и поддержка НИНа рассматриваются как шаг к созданию движущихся систем, которые «научатся» повторно активировать свою кальций-зависимую контрактную схему, и могут привести к новым концепциям искусственных мышц, работающих без ATP.