Šroubovité dráhy jsou všude v mikroskopické říši. Mnoho bakterií a parazitů prostě neplave nebo neklouže v přímých liniích. Trojrozměrně sledují ve svém okolí stopy podobné vývrtkám. Paraziti malárie například klouzají měkkými 3D gely a v kůži pokousaného hostitele po cestičkách, které vypadají jako natažené prameny.
Pro každý takový organismus je hlavní výzvou hluk. Náhodné výboje energie z jejich prostředí a kolísání jejich vlastního stroje generujícího sílu se ho neustále snaží vychýlit z kurzu. Klasická práce na Escherichia coli bakterie ukázal, že bakterie může ztratit svou orientaci během asi sekundy kvůli rotační difúzi, tj. srážkám s okolními molekulami, které pomalu, ale jistě náhodně mění její směr.
Parazité malárie a další podobné mikroorganismy však musí zůstat zhruba desítky sekund nebo déle, pokud chtějí najít živiny a – v případě parazita – krevní cévu.
Udělejte obrat
Dřívější fyzikální modely typicky popisovaly takové mikroorganismy jako samohybné „korálky“ narážené na náhodný hluk. Tyto modely byly většinou dvourozměrné; někdy přidali jednoduchý konstantní krouticí moment, aby korálky kroužily kolem. Neřešili však plně 3D spirálový pohyb v přítomnosti šumu, který měl paměť, což je hluk, jehož současná hodnota závisí na jeho nedávné minulosti. Geometrická práce na parazitech malárie zároveň ukázala, jak jim jejich zakřivený, tyčovitý tvar a flexibilita pomohly obíhat překážky a struktury, jako jsou krevní cévy, aniž by však podrobně popsali, jak se mohou tímto způsobem pohybovat.
Nová studie vědců z Heidelbergské univerzity mohla tuto mezeru překlenout. Pozorovali parazity malárie proplouvající syntetickými hydrogely a poté pomocí modelu rekonstruovali jejich cesty a své poznatky publikovali v Přírodní fyzika dne 24. listopadu.
„Naše nové výzkumy ukazují, že paraziti malárie se ve 3D prostředí pohybují téměř výhradně na pravotočivých šroubovicích,“ řekl Ulrich Schwarz, spoluautor studie a vedoucí skupiny Physics of Complex Biosystems na Institutu pro teoretickou fyziku, Heidelberg University. uvolnění.
Z dat tým zjistil, že ke změnám dochází ve dvou časových škálách: jedna kolem 20 s a druhá kolem 100 s. Těch 20 s odpovídalo trvání jedné spirálové otočky a za tu dobu vnitřní pohon parazita tlačil zhruba stejným způsobem. Těch 100 s bylo, jak dlouho osa šroubovice nadále směřovala jedním směrem.
Rekonstruované trajektorie parazitů malárie klouzající syntetickými hydrogely. | Fotografický kredit: arXiv:2501.18927v3
Když je loopy lepší
Sporozoiti malárie vstříknutí do lidské kůže musí pokrýt stovky mikrometrů, aby našli kapiláru, která je vede do jater. Starší geometrické modely již naznačovaly, že přirozená vzdálenost, přes kterou se parazit otočí, zhruba odpovídá poloměru malých krevních cév, takže je snazší je obejít. Nová práce přidala k tomuto obrázku doplňující otázku: vzhledem k hlučné povaze vnitřního mechanismu parazita může sledování spirálové dráhy skutečně pomoci tomu, aby se dostal dále než mikroorganismus bez smyčky pohybující se stejnou rychlostí?
Studijní tým vytvořil 3D matematický model chirální aktivní částice, což znamená kuličku, která má tendenci se při pohybu otáčet v pevném smyslu. Částice měla konstantní dopřednou rychlost ve své vlastní vztažné soustavě a úhlovou rychlost, která by v nepřítomnosti šumu umožnila sledovat dokonalou šroubovici.
Novinka díla spočívala v tom, jak tým zacházel s rotačním hlukem. Místo přidání bílého šumu autoři popsali úhlovou rychlost pomocí Ornstein-Uhlenbeckova (OU) procesu. Zde je hluk „stažen zpět“ směrem k preferované hodnotě s určitou relaxační dobou. To produkovalo „barevný šum“, tj. nejen bílý šum, ale šum, který byl částečně předvídatelný, napodobující pomalu se měnící vnitřní procesy v těle parazita.
Předpovědi tohoto modelu o průměrné poloze kuličky a jejím posunutí odpovídaly předpovědím parazitů pohybujících se hydrogelem.
Poloměr a rozteč
Důležité je, že autoři zjistili, že ve 3D prostoru a při rozumné hladině hluku se kulička pohybující se po spirálové dráze může posunout na větší vzdálenost za delší dobu než kulička pohybující se rovně stejnou rychlostí. To znamená, že pokud bude dostatek času, šroubovice by mohla být „rovnější než přímka“, pokud jde o to, jak daleko se mikroorganismus rozšířil od svého původu. Toto chování se lišilo od toho, co předpovídalo mnoho předchozích modelů.
Nejvhodnější parametry nového modelu také indikovaly spirálové dráhy s roztečí (vzdálenost mezi dvěma po sobě jdoucími závity spirály) asi 13 mikrometrů a poloměrem asi 3 mikrometry. Obě hodnoty dobře spadaly do dříve uváděných rozsahů pro tyto parazity. Tvary cest simulovaných pomocí těchto parametrů se také podobaly těm, které autoři skutečně naměřili.
Celkově vzato, výsledky naznačují, že spirálový pohyb není jen geometrický vtípek, ale robustní strategie pro mikroorganismy, jako je parazit malárie, efektivně cestovat v hlučných prostorách. U parazita, jehož vnitřní „motor“ kolísal ve stejném časovém měřítku jako jeho otáčky, by jeho rotační dráha také mohla tyto fluktuace zprůměrovat a udržet celkový směr pohybu stabilnější.
Závěr je v souladu s dřívější prací na spermiích a řasách, kde výzkumníci zjistili, že spirálové plavání může pomoci buňkám spolehlivě se pohybovat v přítomnosti chemických gradientů, a to i přes silný hluk v zakřivení a torzi. Závěr může také doplnit geometrické modely parazitů malárie, které zdůraznily důležitost jejich přirozeného zakřivení a pružnosti, které jim pomohou přilnout k cévám srovnatelného poloměru.
Co jde kolem…
Po bodnutí komárem se pouze malá část sporozoitů potřebuje dostat do kapiláry, aby infekce uspěla. A zdá se, že evoluce přišla na to, že nejlepším způsobem, jak zajistit, aby každý parazit pokryl větší plochu, než ztratí směr, aniž by navíc vyžadoval přesnou kontrolu, je spirálový pohyb s „barevným šumem“.
„Máme podezření, že tato chiralita se vyvinula během evoluce, aby umožnila patogenu rychle a vždy stejným způsobem přepínat mezi různými tkáňovými kompartmenty v těle hostitele,“ uvedl ve zprávě spoluautor studie a profesor integrativní parazitologie na Heidelbergské univerzitě Friedrich Frischknecht.
Kromě malárie by se model mohl použít i na další mikroskopické plavce, jako jsou určité řasy a koloniální choanoflageláty, jejichž spirálové dráhy a hlučný pohon již vědci zdokumentovali. Autoři navrhli, že by tento model mohl také inspirovat návrhy pro umělé mikro- a nanoboty v medicíně: vytvořením řízené rotační komponenty a vhodných vnitřních časových měřítek by inženýři mohli postavit malá zařízení, která navigují složité tkáně efektivněji než jen pohyb po přímce.
A studie 2014 někteří členové stejného týmu za novou studií zacházeli se sporozoity jako s pružnými tyčinkami interagujícími s překážkami. Následující modely spojily tvar sporozoitů s jejich schopností klouzat po určitých površích. Zdá se, že nový model přidal chybějící složku: vnitřní „barevný šum“. co dál?
Autoři uzavřeli svůj příspěvek tím, že by rádi propojili načasování vnitřních fluktuací s tím, jak se organismy pohybují, a pak pochopili, jak jsou tato spojení utvářena tím, kde žijí a jak je evoluce vypilovala.
Publikováno – 4. prosince 2025 06:00 IST
