해파리 쏘기 메커니즘 공개; 미래의 배송 장치를 설계하는 데 도움이 될 수 있음

Jul 12, 2023

출처: Unsplash의 Marat Gilyadzinov 사진

여름철 해변을 찾는 사람들은 모두 해파리의 고통스러운 쏘임에 너무나 익숙합니다. 그러면 해파리, 산호, 말미잘의 쏘는 세포는 실제로 어떻게 작동합니까? Stowers Institute for Medical Research의 새로운 연구에서는 작은 별 말미잘 Nematostella vectensis의 쏘는 세포소기관(또는 선충)에 대한 정확한 작동 모델을 공개했습니다. Matt Gibson 박사 연구실의 박사후 연구원인 Ahmet Karabulut가 주도한 이 연구에서는 최첨단 현미경 이미징 기술의 사용과 함께 남아 있는 메커니즘에 대한 포괄적인 이해를 가능하게 하는 생물물리학적 모델의 개발이 포함되었습니다. 한 세기가 넘도록 이해하기 어렵습니다.

연구자들은 이번 연구에서 얻은 통찰력이 미세한 치료 전달 장치의 설계를 포함한 새로운 임상 개발로 이어지는 데 도움이 될 수 있다고 제안합니다. "이 복잡한 쏘는 메커니즘을 이해하면 미래에 인간에게 응용될 가능성이 있습니다."라고 Gibson은 말했습니다. "이것은 현미경 장치의 설계뿐만 아니라 새로운 치료법이나 약물의 표적 전달 방법의 개발로 이어질 수 있습니다." Gibson과 동료들은 Nature Communications에 "자포류 쏘는 세포기관의 구조와 작동 메커니즘"이라는 제목의 논문을 통해 자신들의 연구 결과를 보고했습니다.

해파리, 말미잘 및 관련 자포동물의 쏘는 세포소기관은 포식과 방어 모두에 사용되는 "놀라운 세포 무기"라고 저자는 썼습니다. 선충은 신경독 칵테일을 전달하는 코일형 작살 모양의 실이 들어 있는 가압 캡슐로 구성됩니다. 연구원들은 “촉발되면 캡슐이 방출되어 목표물을 관통하는 작살처럼 실을 방출하고 반전이라는 과정에서 뒤집어지면서 빠르게 늘어납니다.”라고 설명했습니다. "세포 수준에서 선충 방전은 자연에서 가장 빠른 기계적 과정 중 하나이며, Hydra 선충에서는 3밀리초 이내에 완료되는 것으로 알려져 있습니다." 실제로 압력에 의한 캡슐 폭발의 초기 단계와 그에 따른 실 방출은 700나노초만큼 빠르게 발생합니다.

이전 연구에 따르면 선충 방전의 빠른 속도는 캡슐 내부의 삼투압 축적과 방전 중에 강력한 스프링과 같은 메커니즘에 의해 탄성적으로 늘어난 캡슐 벽이 에너지를 방출함으로써 발생한다고 제안되었습니다. "촉발 시, 그러나 방출되기 전에, 물의 급속한 유입으로 인해 캡슐의 부피가 약 두 배로 늘어납니다."라고 저자는 말했습니다. "이로 인해 매트릭스가 삼투압적으로 부풀어 오르고 캡슐 벽이 늘어납니다. 이 에너지는 이후 고속으로 실을 방출하는 데 사용되며, 이는 표적 조직에 영향을 미치고 침투합니다."

다양한 자포종의 자포 특성은 캡슐 크기와 실 형태에 따라 상당히 다르지만 모두 비슷한 방식으로 작동하며 폭발성 방출에 의해 구동되는 회전성 세뇨관을 특징으로 합니다.

쏘는 세포 기능에 대한 Stowers 팀의 모델은 매우 복잡한 자포 구조 및 발사 메커니즘의 세부적인 특성에 대한 중요한 새로운 통찰력을 제공합니다. Karabulut와 Gibson은 Stowers Institute Technology Centers의 과학자들과 협력하여 고급 이미징, 3차원 전자 현미경 및 유전자 녹다운 접근 방식을 사용하여 표적을 관통하고 중독시키는 데 필요한 운동 에너지가 삼투압과 저장된 탄성 에너지를 모두 포함한다는 사실을 발견했습니다. 여러 선충 하위 구조 내에서.

"우리는 선충의 구조와 작동 메커니즘을 이해하기 위해 유전적 교란과 결합된 형광 현미경, 고급 이미징 기술 및 3D 전자 현미경을 활용했습니다."라고 Karabulut은 말했습니다.

연구진은 최첨단 방법을 사용하여 발사 중 N. vectensis 선충의 폭발성 방출과 생체역학적 변형을 세 가지 단계로 특성화했습니다. 첫 번째 단계는 선충 캡슐에서 조밀하게 감겨진 실이 발사체와 같은 초기 방출과 표적 침투입니다. 이 과정은 물의 갑작스러운 유입과 캡슐의 탄성 신장으로 인한 삼투압의 변화에 ​​의해 추진됩니다.