Spirostomum ambiguum adlı organizma, kalsiyum iyonlarına ve balık ağı gibi düzenlenmiş özel bir protein ağına dayanır. Bu sistem, insan kasından çok daha hızlı kasılmasını sağlar ve araştırmacılar, bu keşfin sonunda daha hızlı yapay kasların ve sentetik hücresel makinelerin geliştirilmesine rehberlik edebileceğini söylüyor.

Olağanüstü Hıza Sahip Tek Bir Hücre

Spirostomum ambiguum , yüzmek için kullandığı kıl benzeri kirpiklerden oluşan saçak nedeniyle bu adı alan dev bir tek hücreli siliyattır. Siliyatlar arasında, saniyede yaklaşık 100 vücut uzunluğu kadar kasılma ve ardından hareketi hızla tekrarlama yeteneğiyle öne çıkar. Bilim insanları, bu davranışın organizmanın avcılardan kaçmasına veya diğer siliyatlarla iletişim kurmasına yardımcı olabileceğini düşünüyor.

İnsan kas lifleri de benzer oranlarda kısalabilir, ancak bu süreç yaklaşık 10 kat daha uzun sürer. Bu fark, Spirostomum’u, aşırı hızını mümkün kılan mekanizmayı anlamak isteyen araştırmacılar için özellikle ilgi çekici hale getirmiştir.

” Spirostomum’un yapabildikleri ile bizim yapabildiklerimiz arasındaki fark , kasılmayı sağlayan şeye ve arkasındaki mekanizmanın neye benzediğine dayanıyor,” diyor Kuzey Carolina Eyalet Üniversitesi’nde biyofizik doçenti ve çalışmanın ortak yazarlarından Mary Elting. “Bu süreçleri anlayabilirsek, bu tek hücreli organizmanın hızını ve gücünü taklit eden sentetik sistemler oluşturmamıza yardımcı olabilir.”

Balık ağı gibi çalışan bir protein ağı

Araştırma ekibi, elektron ve immünofloresan mikroskopi yöntemlerini kullanarak Spirostomum’u ayrıntılı olarak inceledi. Kalsiyum iyonlarının kasılmayı başlattığını, alışılmadık bir balık ağı benzeri yapının ise hareketi gerçekleştirdiğini buldular.

Hayvanların aksine, Spirostomum gibi tek hücreli organizmaların kas lifleri yoktur. Bunun yerine, miyonem adı verilen lifli yapılar içerirler. Bu yapılar, kalsiyum bağlayıcı proteinler olan sentrin ve Sfi1’den oluşur.

Spirostomum’da miyonemler, organizmanın dış çevresinde balık ağı şeklinde bir ağ oluşturur. Kasılma başladığında, bu ağ içe doğru sıkılaşır ve ardından orijinal yapısına geri döner .

Elting, “Balık ağı geometrisi benzersizdir çünkü Spirostomum’un düzgün bir şekilde kasılmasını sağlar ve bu da çok hızlı hareket ederken iç organellerini (tek hücreli organlar) korur,” diyor. “Bu, miyonemdeki Sfi1 proteininin sertten esnek hale geçebilmesi sayesinde işe yarıyor. Kalsiyum iyonlarının varlığında Sfi1 sertliğini kaybeder ve ıslak spagetti topu gibi topaklanır, bu da balık ağının sıkılaşmasına ve organizmanın küçülmesine neden olur.”

Hareketi Güçlendirmenin Çok Farklı Bir Yolu

İnsan kasları, kasılma için gerekli enerjiyi depolamak ve serbest bırakmak için adenozin trifosfat veya ATP kullanır. Spirostomum ise temelde farklı bir sürece dayanıyor gibi görünüyor.

Elting, “Kaslarımızın kasılma şeklini Spirostomum’un çalışma şekliyle karşılaştırmak, benzini elektrik enerjisiyle karşılaştırmak gibidir,” diyor. “ATP kimyasal bir değişime uğrar ve benzin gibi ‘yanar’, oysa kalsiyum iyonları elektrik akımı gibi davranır; ancak akımı başlatan voltajı neyin ürettiğini veya kasılmanın tekrar gerçekleşebilmesi için nasıl ‘sıfırlandığını’ hala bilmiyoruz.”

Bu sıfırlama yeteneği, hâlâ yanıtlanmamış önemli sorulardan biri olmaya devam ediyor. Araştırmacılar şimdi kalsiyumun kasılmayı nasıl tetiklediğini ve organizmanın süreci tekrarlamak için kendini nasıl hazırladığını daha kesin olarak belirlemek istiyorlar.

Elting , “Kalsiyumla tetiklenen reaksiyonların ‘tek seferlik’ olmasını beklerdik, ancak Spirostomum bunu tekrar tekrar yapabiliyor,” diyor. “Hareketinin bu yönlerini anlamak, hızlı hareket eden, ATP’den bağımsız yapay bir kas oluşturmanın anahtarıdır.”

Daha Hızlı Yapay Kaslara Doğru

Bu bulgular, ATP’ye bağımlı olmadan hızlı hareket eden yapay kaslar geliştirmek isteyen mühendisler için faydalı ipuçları sağlayabilir. Araştırmacılar, Spirostomum’un kalsiyum güdümlü kasılma sistemini nasıl tekrar tekrar tetiklediğini ve sıfırladığını anlayarak , sentetik cihazlara uyarlanabilecek prensipleri ortaya çıkarmayı umuyorlar.

Araştırma, Ulusal Bilimler Akademisi Bildirilerinde yayınlanmıştır ve Ulusal Bilim Vakfı tarafından 1935260, 2313722, 2313724, 1935262, 1817334, 2313727 ve 2313725 numaralı ödüllerle ve Ulusal Sağlık Enstitüleri’nin NIGMS’si tarafından R35GM130327 ve R35GM142588 numaralı ödüllerle desteklenmiştir.

Bu çalışmanın ortak yazarları arasında Chicago Üniversitesi’nde kimya profesörü olan Aaron Dinner; Drake Üniversitesi’nde Marshall ve Judith Flapan Biyoloji Profesörü olan Jerry Honts; ve Colorado Üniversitesi Boulder Kampüsü’nde kimya ve biyoloji mühendisliği doçenti olan Saad Bhamla yer almaktadır.

NC State’ten diğer katkıda bulunanlar arasında eski doktora öğrencisi ve ilk yazar Joseph Lannan ve Araştırma Yardımcı Doçenti Peter Thompson yer almaktadır. Ayrıca Chicago Üniversitesi’nden Carlos Floyd ve Suriyanarayanan Vaikuntanathan; Georgia Teknoloji Enstitüsü’nden LX Xu; ve Kaliforniya Üniversitesi San Francisco’dan Connie Yan ve Wallace Marshall da çalışmaya katkıda bulunmuştur.