These waterborne blood flukes, which are responsible for nearly 200,000 annual deaths and 200 million total worldwide cases of Schistosomiasis, are driven by the powerful thrusts of their unique forked tails and chewing enzymes. The parasite's swimming patterns are crucial for its human-seeking chemotactic activity -- and are the focus of researchers at Stanford University who ultimately seek to break the chain of infection.
Manu Prakash, an assistant professor at Stanford University, will present his research on the parasite's 'T-joint' swimming patterns at the upcoming 67th Annual Meeting of the American Physical Society's Division of Fluid Dynamics in San Francisco.
Prakash's lab work runs the gamut from small-scale problems to field work. The researchers at Stanford were puzzled, however, when they filmed the parasite swimming at high speeds.
Cercaria, the free-swimming form of schistosoma, gets around by beating its forked tail back and forth. According to mathematical theories developed over the past 50 years, this reciprocal beating at small scales shouldn't enable cercaria to move at all, but merely bob in place, essentially treading water.
Similar aquatic biological creatures have struggled to break this mathematical locomotive paradox by varying their tail strokes to beat in non-symmetric cycles at small scales. For schistosomas, innovation comes from their unusual forked tail, which forms a "T-shape" joint. This passive torsional joint interacts with the fluid in surprising ways to break this time-varying symmetry -- hence the researchers call this a T-joint swimmer. Such a simple way to break this symmetry had never been seen before, Prakash noted.
In addition to utilizing this method to swim tail first, cercariae can also switch their swimming direction in a single stroke. They are remarkably efficient swimmers, and they have to be -- cercariae lack a mouth, and so must rely on finite energy reserves while swimming between snail and human hosts.
"The hypothesis that we're trying to test is that these two modes, forwards and backward might actually be designed for specific functions related to the task at hand," Prakash said. "We are trying to identify if these swimming strokes have different functions -- one designed for swimming fast, and another one for actually generating high forces."
Once the researchers determine this, they can consider ways to block infection by interfering with the schistosomes' ability to find human hosts.
"If we understand the chemotactic machinery of this organism well -- where are the sensory neurons, how does it couple to its swimming behavior, how does it couple to its muscles -- there are lots of small molecules that we can use to really interfere directly," Praskash said.
In order to enter a human's skin, a schistosome has to generate a great deal of force." It's almost like a motor that's designed to operate at stall forces," Prakash said. "It can produce very high forces while it's not physically actually moving, so there are all these fascinating questions that are connected -- why would a system evolve like this?"
Recently, Prakash and his collaborators have been running validation trials for schistosomiasis diagnosis in Ghana, one of many regions in which the parasite is endemic, and intend to start another test field site in Burkina Faso. His lab focuses on both organismic biophysics and what he calls 'frugal science' -- a prime example of which is Prakash's innovative 'foldscope,' a 50-cent microscope made out of a foldable sheet of paper.
"Our big picture goal is to really democratize scientific tools and make them very broadly available to people, so we build and design innovative tools, and then we give them to people to explore the world around them," Prakash said. In 2012, Prakash received a $100,000 grant from the Gates Foundation for his work on the foldscope. His TED talk on the microscope in that same year has currently been viewed more than 1.2 million times.
Prakash hopes to bring his frugal science approach into the scope of his schistosomiasis research by studying the same cercariae swimmers out in the field -- ideally a pond -- in order to identify what methods the schistosomes use to find humans in complex environments.
Future research for Prakash, his graduate student Deepak Krishnamurthy and the rest of the group involves perturbing the fluke's chemotactic ability to identify human hosts after emerging from a snail -- thus breaking the cycle of infection.
เหล่านี้พยาธิใบไม้เลือดน้ำซึ่งมีความรับผิดชอบในการเสียชีวิตเกือบ 200,000 ประจำปีและ 200 ล้านรายทั่วโลกรวมของ Schistosomiasis มีแรงผลักดันจากจังหวะที่มีประสิทธิภาพของหางคดเคี้ยวของพวกเขาไม่ซ้ำกันและเคี้ยวเอนไซม์ รูปแบบของปรสิตว่ายน้ำมีความสำคัญสำหรับการแสวงหาของมนุษย์กิจกรรม chemotactic - และมีความสำคัญของนักวิจัยที่ Stanford University ซึ่งท้ายที่สุดพยายามที่จะทำลายห่วงโซ่ของการติดเชื้อ.
มนู Prakash, ผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัย Stanford จะนำเสนอการวิจัยของเขาใน ปรสิต 'T-ร่วม' รูปแบบการว่ายน้ำในการประชุมประจำปีที่จะเกิดขึ้น 67 ของกายภาพสังคมอเมริกันกองพลศาสตร์ของไหลในซานฟรานซิส.
ทำงานในห้องทดลอง Prakash วิ่งช่วงจากปัญหาขนาดเล็กที่จะทำงานในทุ่งนา นักวิจัยที่ Stanford ถูกงง แต่เมื่อพวกเขาถ่ายทำว่ายน้ำปรสิตที่ความเร็วสูง.
Cercaria รูปแบบว่ายน้ำฟรีของ Schistosoma ได้รับรอบโดนหางของมันคดเคี้ยวไปมา ตามทฤษฎีทางคณิตศาสตร์พัฒนาที่ผ่านมา 50 ปีนี้ตีซึ่งกันและกันในระดับขนาดเล็กที่ไม่ควรเปิดใช้งาน Cercaria ที่จะย้ายที่ทั้งหมด แต่เพียง bob ในสถานที่เป็นหลักเหยียบน้ำ.
สิ่งมีชีวิตที่คล้ายกันชีวภาพน้ำได้พยายามที่จะทำลายความขัดแย้งหัวรถจักรนี้ทางคณิตศาสตร์โดย แตกต่างกันจังหวะหางของพวกเขาที่จะชนะในรอบที่ไม่สมมาตรในระดับเล็ก ๆ สำหรับ schistosomas นวัตกรรมมาจากหางแฉกของพวกเขาที่ผิดปกติซึ่งเป็น "T-รูปร่าง" ร่วมกัน ปฏิสัมพันธ์นี้เรื่อย ๆ ร่วมบิดด้วยของเหลวในรูปแบบที่น่าแปลกใจที่จะทำลายสมมาตรเวลาที่แตกต่างนี้ - ด้วยเหตุนี้นักวิจัยเรียกสิ่งนี้ว่ายน้ำเสื้อร่วมกัน ดังกล่าวเป็นวิธีที่ง่ายที่จะทำลายสมมาตรนี้ไม่เคยเห็นมาก่อน Prakash ตั้งข้อสังเกต.
นอกเหนือจากการใช้วิธีการนี้จะว่ายน้ำหางแรก cercariae ยังสามารถสลับทิศทางการว่ายน้ำของพวกเขาในจังหวะเดียว พวกเขาเป็นนักว่ายน้ำที่มีประสิทธิภาพอย่างน่าทึ่งและพวกเขาจะต้องมี - cercariae ขาดปากและอื่น ๆ ต้องพึ่งพาพลังงานสำรอง จำกัด ในขณะที่ว่ายน้ำระหว่างหอยทากและไพร่พลของมนุษย์.
"สมมติฐานที่เรากำลังพยายามที่จะทดสอบว่าทั้งสองโหมด, ไปข้างหน้าและย้อนกลับจริงอาจได้รับการออกแบบสำหรับการทำงานเฉพาะที่เกี่ยวข้องกับงานในมือ "แกชกล่าวว่า "เรากำลังพยายามที่จะระบุว่าจังหวะว่ายน้ำเหล่านี้มีฟังก์ชั่นที่แตกต่างกัน - หนึ่งในการออกแบบสำหรับการว่ายน้ำได้อย่างรวดเร็วและหนึ่งสำหรับการสร้างกองกำลังจริงสูงอื่น."
เมื่อนักวิจัยตรวจสอบนี้พวกเขาสามารถพิจารณาวิธีที่จะป้องกันการติดเชื้อโดยรบกวน schistosomes ' ความสามารถในการหาเจ้าภาพมนุษย์.
"ถ้าเราเข้าใจเครื่องจักร chemotactic ของสิ่งมีชีวิตนี้ได้เป็นอย่างดี - ที่มีเซลล์ประสาทก็ไม่ว่าคู่กับพฤติกรรมการว่ายน้ำของวิธีการที่ไม่มันสองสามไปยังกล้ามเนื้อของ - มีจำนวนมากของโมเลกุลขนาดเล็กที่ เราสามารถใช้เพื่อรบกวนจริงๆโดยตรง "Praskash กล่าว.
เพื่อที่จะเข้าสู่ผิวของมนุษย์, schistosome จึงมีการสร้างการจัดการที่ดีของแรง. "มันเกือบจะเหมือนมอเตอร์ที่ออกแบบมาเพื่อการทำงานที่กองกำลังคอก" Prakash กล่าวว่า "มันสามารถผลิตกองกำลังที่สูงมากในขณะที่มันไม่จริงย้ายร่างกายจึงมีทุกคำถามเหล่านี้ที่น่าสนใจที่มีการเชื่อมต่อ - ทำไมระบบจะพัฒนาเช่นนี้"
เมื่อเร็ว ๆ นี้ Prakash และทำงานร่วมกันของเขาได้รับการทำงานการทดลองการตรวจสอบสำหรับการวินิจฉัย Schistosomiasis ใน กานาซึ่งเป็นหนึ่งในหลายภูมิภาคซึ่งพยาธิเป็นโรคประจำถิ่นและตั้งใจที่จะเริ่มต้นเว็บไซต์ข้อมูลการทดสอบอื่นในบูร์กินาฟาโซ ห้องทดลองของเขามุ่งเน้นไปที่ชีวฟิสิกส์ organismic และสิ่งที่เขาเรียก 'วิทยาศาสตร์ประหยัด' -. ตัวอย่างที่สำคัญของซึ่งเป็น Prakash นวัตกรรม 'foldscope' กล้องจุลทรรศน์ร้อยละ 50 ทำจากแผ่นพับกระดาษ
"เป้าหมายภาพใหญ่ของเราคือการ จริงๆประชาธิปไตยเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์และทำให้พวกเขามากอย่างกว้างขวางไปสู่คนดังนั้นเราจึงสร้างและเครื่องมือที่เป็นนวัตกรรมการออกแบบและจากนั้นเราจะให้พวกเขาไปคนที่จะสำรวจโลกรอบตัวพวกเขา "แกชกล่าวว่า ในปี 2012, Prakash ได้รับทุน $ 100,000 จากมูลนิธิเกตส์สำหรับการทำงานของเขาใน foldscope TED เขาพูดคุยเกี่ยวกับกล้องจุลทรรศน์ในปีเดียวกันที่ได้รับในขณะนี้มีผู้เข้าชมกว่า 1.2 ล้านครั้ง.
Prakash หวังที่จะนำวิธีการทางวิทยาศาสตร์ของเขาประหยัดในขอบเขตของการวิจัย Schistosomiasis ของเขาโดยการศึกษานักว่ายน้ำ cercariae เดียวกันออกในเขต - นึกคิดบ่อ -. เพื่อที่จะระบุสิ่งที่วิธีการ schistosomes ใช้เพื่อค้นหามนุษย์ในสภาพแวดล้อมที่ซับซ้อน
การวิจัยในอนาคตสำหรับ Prakash นักศึกษาบัณฑิตศึกษาของเขา Deepak Krishnamurthy และส่วนที่เหลือของกลุ่มที่เกี่ยวข้องกับการรบกวนความสามารถ chemotactic บังเอิญที่จะระบุโฮสต์ของมนุษย์หลังจากที่โผล่ออกมาจากหอยทาก - - จึงทำลายวงจรของการติดเชื้อ
การแปล กรุณารอสักครู่..