Jerzy Blawzdziewicz, profesor, presidente asociado y director de estudios de posgrado en el Departamento de Ingeniería Mecánica, y Siva Vanapalli, profesor asociado y miembro de la facultad Bill Sanderson en el Departamento de Ingeniería Química de la Facultad de Ingeniería Edward E. Whitacre Jr. de Texas Tech University, tenía su trabajo de investigación, "Las maniobras de balanceo son esenciales para la reorientación activa de Caenorhabditis elegans en medios 3-D, "publicado recientemente en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ).
C. elegans, una lombriz intestinal de un milímetro, es un poderoso organismo modelo utilizado en investigaciones de procesos biológicos fundamentales conservados entre especies. Investigadores de todo el mundo miden el comportamiento locomotor de este nematodo para obtener información sobre diversas áreas de estudio, como mutaciones genéticas, biología muscular, control neuronal del movimiento y evaluación de la nutrición, efectos del ejercicio y de las drogas.
La mayoría de los resultados de las investigaciones que utilizan lecturas de locomotoras se han basado en descripciones bidimensionales (2-D) del movimiento de los nematodos. En laboratorios, C. elegans generalmente se cultiva en una superficie de gel de agar, y los modelos 2-D proporcionan una gran cantidad de información útil. Sin embargo, algunos de los comportamientos del gusano, como excavar y nadar, requieren un enfoque de investigación tridimensional (3-D).
Es más, en su hábitat natural, que es húmedo, descomposición de materia orgánica, el nematodo se mueve en un entorno tridimensional complejo. Todavía, Hasta el momento no se han realizado estudios cuantitativos exhaustivos sobre la marcha tridimensional del gusano.
En su papel Blawzdziewicz, Vanapalli y su equipo identificaron y cuantificaron las maniobras clave que utiliza el nematodo para explorar el espacio tridimensional. Su esfuerzo de investigación colaborativa se basó en las contribuciones vitales de dos estudiantes de doctorado en ingeniería mecánica, Alejandro Bilbao y Amar Patel, quien obtuvo resultados teóricos, y de un investigador postdoctoral en ingeniería química, Mizanur Rahman, quién llevó a cabo los experimentos.
"Estamos analizando la forma en que este pequeño animal se mueve en su entorno y qué tipo de maniobras está ejecutando, "Blawzdziewicz dijo." En 2-D, el nematodo impulsa su cuerpo usando ondulaciones laterales y gira aumentando momentáneamente la amplitud de ondulación en un lado. Hemos descubierto que para reorientarse en 3-D, el nematodo realiza una maniobra de balanceo, que se asemeja a un rollo acrobático de avión. El animal gira de manera eficiente sobre el eje de su trayectoria (ejecutando la parte 3-D de su movimiento), luego reanuda los giros bidimensionales en un nuevo plano de ondulación. Hemos registrado este nuevo patrón de comportamiento y analizado teóricamente su eficiencia, frecuencia y significado ".
El genoma de C. elegans fue el primero completamente secuenciado, y el sistema neural del nematodo está completamente mapeado. Esto ayuda en los estudios de investigación porque ahora es el modelo animal de referencia para diversas enfermedades.
El corto período de gestación y envejecimiento de C. elegans es otro beneficio del uso del animal.
"Es un gusano transparente, para que puedas ver a través de él que tiene sus ventajas, y cada animal pone unos 300 huevos, ", Dijo Vanapalli." Cada animal vive durante unas tres semanas, así que en ese corto tiempo, puede controlar una gran cantidad de nematodos. Si piensa en estudios sobre el envejecimiento, que es una de las áreas en las que Jerzy y yo estamos interesados, un objetivo principal es comprender qué mutaciones genéticas y qué fármacos pueden mejorar la salud neuromuscular a medida que el animal envejece. Un ratón vive dos años por lo que es un tiempo muy largo para rastrear, un experimento muy largo. Pero aquí, son tres semanas.
"Tenemos la intención de utilizar nuestro análisis de locomoción 3-D para caracterizar la salud de los sistemas nervioso y muscular en gusanos envejecidos. El enfoque 3-D es una herramienta más sensible en comparación con la evaluación de la locomoción de C. elegans en 2-D".
Las investigaciones del grupo de investigación Texas Tech ya plantean un nuevo, pregunta importante y abierta de cómo las posturas corporales tridimensionales involucradas en las maniobras de balanceo son accionadas por, esencialmente, una red bidimensional de conexiones neuronales.
C. elegans tiene cuatro filas de músculos a lo largo de su cuerpo, por lo que debería ser posible la actuación en cualquier dirección. Sin embargo, Las neuronas motoras en la mayor parte del cuerpo tienen conexiones simétricas con los músculos ventrales o dorsales, y debido a estas conexiones simétricas, generalmente se piensa que C. elegans es incapaz de accionar movimientos 3-D, excepto en el segmento de la cabeza de su cuerpo.
"Nuestro análisis muestra que todo el cuerpo del nematodo es capaz de realizar movimientos en 3-D, "Blawzdziewicz dijo." Por lo tanto, surge la pregunta de cómo la neurona motora conectada a dos músculos puede enviar diferentes señales para provocar una respuesta asimétrica en estos músculos ".
La investigación fue financiada por la National Science Foundation, los Institutos Nacionales de Salud y la NASA.
A continuación se muestra una de las simulaciones que demuestran la geometría y la mecánica de los giros en 2-D y las maniobras de balanceo en 3-D al nadar.
