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クリーピングゲル生物学的クロール運動をモデル化するための感光性自己振動ゲル

Anonim

指示された動きは簡単ですが、ワームやカタツムリのシンプルなクロール動作の場合でも、複雑なプロセスの調整された相互作用が必要です。 研究者らは、周期的に膨潤・収縮するゲルを使用することで、クロールに伴う筋肉収縮と弛緩の波のモデルを開発しました。 ジャーナルAngewandte Chemieに報告されているように、彼らは不均一照射を使用して2種類のクロール運動を生成することができました。

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クロールは、筋肉を通って伝わる波に由来します。 これらの波は、動物が這う(直接波)と同じ方向に、尾端から頭に向かって、または反対方向(逆行する波)で頭から尾に向かって移動することができます。 土地のカタツムリは元のタイプの波を使用していますが、ミミズとリムペットは後者を使います。 チトン(polyplacophora)は、両方のタイプの動きを切り替えることができます。

中国の鉱業技術大学(江蘇、中国)のQingyu GaoとBrandeis University(米国マサチューセッツ州ウォルサム)のIrving R. Epsteinと共同研究している研究者は、自励振性ゲルの形で化学モデルを利用して、これらのクロールプロセスに関する多くの質問に答えることができました。

ゲルは、ギャップに液体が結合した分子ネットワークである。 この場合、液体は、振動化学反応(「ケミカル時計」)に必要なすべての成分を含む。 研究者らは、反応系の1つの成分、すなわちルテニウム錯体をネットワークに組み込んだ。 反応中、ルテニウムはRu(2+)とRu(3+)の2つの酸化状態を周期的に切り替える。 このスイッチはゲルを変えて、一方の状態で他方の液体よりも多くの液体を保持することができるので、ゲルは周期的に膨潤および収縮する。 化学時計と同様に、これらの領域は、クロール時の筋肉収縮の波と同様に、波の中を伝播する。

このゲルに使用される錯体は、光を照射すると酸化状態も変化する。 ゲルの右半分が左よりも強く照射されると、波は右から左に、すなわちゲル振動の高周波数領域から低周波数領域に移動する。 照射強度の差が一定の閾値に達すると、ゲルの左から右への逆行性の波動運動が引き起こされる。 相違がさらに増加すると、ゲルが停止する。 この差がさらに増加すると、ゲルは再び反対方向、すなわち直接波動に移動する。 不均一照明は、直接移動を強化することおよび/または反対の動きを抑制することによって移動の方向を制御する、細胞移動および動物の移動の間にセグメントおよび付属物(例えば、四肢および翼)を固定することと同様の役割を果たす。

計算モデルを使用することにより、研究者はこれらのプロセスを記述することができました。 ゲル内には引っ張り力が優勢である領域があり、 押し付け力は他の領域で優勢である。 照射強度の変化は、摩擦力およびゲルの張力の異なる変化をもたらす。 これらの効果が合計されると、ゲルの特定の格子要素がどの方向に移動するかを予測することが可能である。

このモデルの1つの重要な発見:逆行性であろうと直接的であろうと、カタツムリと蠕虫が排泄する粘液質の粘弾性特性の特別な変化は、移動のために必要とされない。

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ストーリーソース:

Wileyによって提供される資料。 注:コンテンツはスタイルと長さのために編集することができます。


ジャーナルリファレンス

  1. Lin Ren、Weibing She、Qingyu Gao、Changwei Pan、Chen Ji、Irving R. Epstein。 感光性自励振動ゲルにおける逆行および直接波動運動 Angewandte Chemie International Edition 、2016; DOI:10.1002 / anie.201608367