Архитектура и механизм действия жалящей органеллы книдарий

Dec 19, 2023

Nature Communications, том 13, номер статьи: 3494 (2022) Ссылаться на эту статью

5264 Доступа

6 цитат

460 Альтметрика

Подробности о метриках

Жалящие органеллы медуз, актиний и других книдарий, известные как нематоцисты, представляют собой замечательное клеточное оружие, используемое как для нападения, так и для защиты. Нематоцисты представляют собой герметичную капсулу, содержащую скрученную гарпунообразную нить. Эти структуры, в свою очередь, построены внутри специализированных клеток, известных как нематоциты. При срабатывании капсула взрывается, выбрасывая спиральную нить, которая протыкает цель и быстро удлиняется, выворачиваясь наизнанку в процессе, называемом выворотом. Из-за структурной сложности нити и чрезвычайной скорости выброса точная механика стрельбы нематоцист остается неясной7. Здесь, используя комбинацию изображений в реальном времени и сверхвысокого разрешения, 3D-электронной микроскопии и генетических пертурбаций, мы определяем пошаговую последовательность работы нематоцист в модельной морской анемоне Nematostella vectensis. Этот анализ раскрывает сложные биомеханические преобразования, лежащие в основе механизма действия нематоцист, одной из самых совершенных биологических микромашин природы. Кроме того, это исследование даст представление о форме и функциях родственных органелл книдарий и послужит шаблоном для разработки биоинспирированных микроустройств.

Нематоцисты книдарий представляют собой сложное субклеточное оружие с высокоспециализированными формами и функциями1,2. Нематоцисты представляют собой внутриклеточные органеллы, происходящие из аппарата Гольджи, состоящие из ядовитых нитей, заключенных в герметичную капсулу3,4. При срабатывании капсула разряжается, выбрасывая свою нить в виде гарпуна, который проникает в цель, доставляя коктейль нейротоксинов5,6,7,8,9,10. На клеточном уровне выделение нематоцист является одним из самых быстрых механических процессов в природе, которые, как известно, в нематоцистах гидры завершаются в течение 3 миллисекунд11,12. Измерения, выполненные на высокоскоростном видео стенотеле Гидры, показывают, что начальная фаза взрыва капсулы под давлением и последующий выброс нити происходит всего за 700 наносекунд12. Эту начальную стадию взрывного разряда можно сравнить с другими сверхбыстрыми метательными системами, встречающимися в природе, такими как выброс грибковых спор, выброс пыльцы и выброс баллистических органелл динофлагеллят13,14.

Предыдущие исследования показывают, что высокая скорость выделения нематоцист обусловлена ​​накоплением осмотического давления внутри капсулы матрицей из катионсвязывающих поли-γ-глутаматных полимеров (ПГ) и упруго растянутой стенкой капсулы, высвобождающей энергию за счет мощной пружины. подобный механизм во время разрядки2,12,15,16. При срабатывании, но до разряда, объем капсулы увеличивается примерно вдвое из-за быстрого притока воды17. Это приводит к осмотическому набуханию матрицы и растяжению стенки капсулы2,18. Эта энергия впоследствии используется для выброса нити с высокой скоростью, которая воздействует на целевую ткань и проникает в нее. Более поздние фазы выделения нематоцисты включают удлинение нити, которое происходит медленнее и завершается за миллисекунды11. На этом этапе нить нематоцисты претерпевает трансформацию формы, выворачиваясь наизнанку в результате процесса, называемого выворотом, который вызван высвобождением как осмотически генерируемого давления, так и упругой энергии, запасенной в нити17,19,20. Таким образом, нематоциста действует в отдельные фазы, которые включают начальную фазу прокалывания мишени и более поздние фазы выворота с образованием просвета.

Характеристики нематоцист значительно различаются у разных видов книдарий, демонстрируя разнообразие размеров капсул и морфологии нитей, но все они сохраняют сходный механизм работы, включающий выворачивающийся каналец, приводимый в движение взрывным выбросом2,21,22,23. Чтобы изучить биологию нематоцист в генетически управляемой системе, мы исследуем работу нити нематоцист у актинии Nematostella vectensis. Nematostella содержит два типа нематоцист: микроосновные p-мастигофоры и базитриховые изоризы, причем последние имеют короткие и длинные разновидности24,25. У актиний капсулы нематоцист запечатаны тремя апикальными створками, соединенными со стрекательной нитью26,27,28. Эта нить состоит из двух отдельных субструктур: короткого жесткого волокнистого стержня и длинной тонкой трубочки, украшенной зазубринами17,22. Стержень состоит из трех спирально закрученных нитей и первоначально выбрасывается в виде сжатого снаряда, пронзая цель, а затем выворачивается, образуя просвет, через который высвобождается оставшаяся часть нити, трубочка17. Хотя известно, что выворот стержня влечет за собой геометрическую трансформацию плотно сжатой катушки в полый шприц, механизмы, управляющие этим процессом, плохо изучены. Кроме того, выворот канальцев значительно отличается от такового при тройном спиральном стержне, поскольку канальцы выворачиваются путем выворачивания наизнанку в отсутствие спиральных нитей26,29. Высвобождения давления и упругой энергии, запасенной в капсуле, теоретически достаточно для начального выброса и проникновения стержня, однако для дальнейшего удлинения нити, вероятно, потребуются дополнительные источники энергии5,19,20. Из-за скорости и сложности этих событий точные стадии выброса и выворота до сих пор оставались неуловимыми.