らせん状の経路は微視的な領域のいたるところに存在します。多くの細菌や寄生虫は、単純に直線的に泳いだり滑空したりするわけではありません。 3 次元では、彼らは周囲をコルク栓抜きのような跡をたどります。たとえば、マラリア原虫は、柔らかい 3D ゲルを通って、咬まれた宿主の皮膚内を、伸びたバネのように見える経路上を移動します。
このような生物にとって、主な課題は騒音です。環境からのランダムなエネルギーの爆発と、彼ら自身の力を生成する機械の変動が、常にそれを軌道から外そうとします。古典的な作品 大腸菌 バクテリアは、回転拡散、つまりゆっくりと確実に方向をランダム化する周囲の分子との衝突により、バクテリアが約 1 秒以内にその方向を失う可能性があることを示しました。
しかし、マラリア原虫や他の同様の微生物は、栄養素と、寄生虫の場合は血管を見つけるために、およそ数十秒以上、軌道上に留まらなければなりません。
ひねりを加える
以前の物理モデルでは通常、このような微生物はランダムなノイズによって打ちのめされる自走式の「ビーズ」として説明されていました。これらのモデルはほとんどが 2 次元でした。場合によっては、単純で一定のトルクを加えてビーズを回転させることもありました。しかし、彼らは、記憶のあるノイズ、つまり、現在値が最近の過去に依存するノイズの存在下での 3D 螺旋運動を完全には扱っていませんでした。同時に、マラリア原虫に関する幾何学に基づいた研究では、その湾曲した棒状の形状と柔軟性が障害物や血管などの構造物の周りをぐるぐる回るのにどのように役立つかを示していましたが、どのようにしてそのように移動できるのかについては詳細に説明されていませんでした。
ハイデルベルク大学の研究者らによる新しい研究が、このギャップを埋める可能性がある。彼らは、マラリア原虫が合成ヒドロゲルの中を滑走する様子を観察し、モデルを使用してその経路を再構築し、その結果を次の論文で発表しました。 自然物理学 11月24日。
ハイデルベルク大学理論物理学研究所の研究共著者で複雑生物系物理学グループ長のウルリッヒ・シュワルツ氏は、「我々の新たな調査は、マラリア原虫が3D環境ではほぼもっぱら右巻き螺旋上を移動することを示している」と述べた。 リリース。
データから、チームは 2 つの時間スケール (1 つは約 20 秒、もう 1 つは約 100 秒) にわたって変化が起こっていることを発見しました。 20秒はらせん状の1回転の持続時間に一致し、その間、寄生虫の内部駆動力はほぼ同じように推進し続けた。 100 秒とは、らせんの軸が一方向を向き続ける長さを表します。
合成ヒドロゲルの中を滑走するマラリア原虫の再構成された軌跡。 |写真提供者: arXiv:2501.18927v3
ルーピーの方が良い場合
人間の皮膚に注射されたマラリアのスポロゾイトは、肝臓につながる毛細血管を見つけるために数百マイクロメートルを覆う必要があります。古い幾何学的モデルは、寄生虫が旋回する自然な距離が小さな血管の半径とほぼ一致し、血管の周りを容易にループできることをすでに示唆していました。新しい研究は、この状況に補足的な質問を追加しました。寄生虫の内部機構のノイズの多い性質を考慮すると、らせん状の経路をたどることは、同じ速度で移動する非ループ微生物よりも遠くまで移動するのに実際に役立ちますか?
研究チームは、キラル活性粒子、つまり移動時に一定の方向にねじれる傾向のあるビーズの 3D 数学モデルを構築しました。粒子は、それ自体の基準系内で一定の前進速度と、ノイズがなければ完全な螺旋をたどる角速度を持っていました。
この作品の斬新さは、チームが回転ノイズをどのように扱ったかにありました。著者らは、ホワイト ノイズを追加する代わりに、オーンシュタイン・ウーレンベック (OU) プロセスを使用して角速度を記述しました。ここで、ノイズは特定の緩和時間で好ましい値に向かって「引き戻され」ます。これにより、「カラーノイズ」、つまり単なるホワイトノイズではなく、部分的に予測可能なノイズが生成され、寄生虫の体内でゆっくりと変化する内部プロセスを模倣しました。
このモデルによるビーズの平均位置とその変位の予測は、ヒドロゲル中を移動する寄生虫の予測と一致しました。
半径とピッチ
重要なことに、著者らは、3D 空間で適度なレベルのノイズが発生した場合、らせん状の経路に沿って移動するビードは、同じ速度で真っ直ぐに移動するビードよりも長い時間かけてより長い距離を移動できることを発見しました。つまり、十分な時間があれば、微生物がその起源からどれだけ遠くに広がるかという点で、らせんは「直線よりも真っ直ぐ」になる可能性があります。この動作は、以前の多くのモデルが予測していたものとは異なりました。
新しいモデルの最適パラメータは、ピッチ (らせんの 2 つの連続する回転の間の距離) が約 13 マイクロメートル、半径が約 3 マイクロメートルのらせん状の経路も示しました。どちらの値も、これらの寄生虫について以前に報告された範囲内に十分収まりました。これらのパラメータを使用してシミュレーションされたパスの形状も、著者が実際に測定したものとよく似ていました。
総合すると、これらの結果は、螺旋運動が単なる幾何学的な奇妙さではなく、マラリア原虫のような微生物が騒がしい空間を効率的に移動するための強力な戦略であることを示唆しています。内部の「エンジン」が回転と同じ時間スケールで変動する寄生虫の場合、その回転経路によってそれらの変動が平均化され、全体的な動きの方向がより安定に保たれる可能性があります。
この結論は、精子細胞と藻類に関する以前の研究と一致しており、研究者らは、曲率やねじれによる強いノイズにもかかわらず、化学勾配の存在下で細胞が確実に移動できるようにするために、らせん状の遊泳が役立つことを発見した。この結論はまた、同等の半径の血管に付着するのに役立つ自然な曲率と柔軟性の重要性を強調したマラリア原虫の幾何学的モデルを補完する可能性がある。
何が起こるのか…
蚊に刺された後、感染が成功するにはスポロゾイトのほんの一部が毛細血管に到達する必要があります。そして、進化は、正確な制御を必要とせずに、方向を失う前に各寄生虫がより多くの地面を確実にカバーする最良の方法は、「色付きノイズ」でらせん運動をさせることであると考え出したようです。
「このキラリティーは、病原体が宿主体内の異なる組織区画間を迅速かつ常に同じ方法で切り替えることを可能にするために、進化の過程で発達したのではないかと考えられる」と研究共著者で統合寄生虫学のハイデルベルク大学教授フリードリッヒ・フリシュクネヒト氏はリリースで述べた。
このモデルは、マラリア以外にも、特定の藻類やコロニーの首鞭毛虫など、他の微細な遊泳動物にも適用できる可能性があり、そのらせん状の経路と騒々しい推進力が科学者によってすでに記録されている。著者らは、このモデルが医療における人工マイクロボットやナノボットの設計にも影響を与える可能性があると示唆した。制御された回転コンポーネントと適切な内部時間スケールを設計することで、エンジニアは単純に直線を移動するよりも効率的に複雑な組織をナビゲートする小型デバイスを構築できるだろう。
あ 2014年の調査 新しい研究の背後にいる同じチームの何人かのメンバーは、スポロゾイトを障害物と相互作用する柔軟な棒として扱った。その後のモデルでは、スポロゾイトの形状と特定の表面を滑走する能力が関連付けられました。新しいモデルは、内部の「カラーノイズ」という欠けている要素を追加したようです。次は何でしょうか？
著者らは、内部変動のタイミングを生物の動き方と結び付け、そのつながりが生物の住む場所によってどのように形作られ、進化によってどのように磨かれてきたのかを理解したいと論文を締めくくった。
発行済み – 2025 年 12 月 4 日午前 6 時 (IST)