Descubrimiento del movimiento de natación único de los rayos de esperma y demostración utilizando un robot inspirado en la biología.

Inspirado en la biología, el robot consta de tres partes, como un espermatozoide radial: una cabeza en espiral hecha de alambre de hierro rígido, una cola en espiral hecha de alambre de algodón suave y dos motores como pieza central para el suministro de energía. Fuente: Universidad de la Ciudad de Hong Kong

Se cree comúnmente que los espermatozoides «flotan» golpeando o girando sus colas blandas. Sin embargo, un equipo de investigación dirigido por investigadores de la City University of Hong Kong (CityU) descubrió que los espermatozoides de los rayos se mueven girando tanto la cola como la cabeza. El equipo estudió el patrón de movimiento más de cerca y lo demostró con un robot. Su investigación aumentó el conocimiento del movimiento de microorganismos y proporcionó inspiración para el diseño de la ingeniería de robots.

La investigación está codirigida por el Dr. Shen Yajing, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Biomédica (BME) de CityU, y el Dr. Shi Jiahai, Profesor Asistente en el Departamento de Ciencias Biomédicas (BMS). Sus hallazgos fueron publicados en una revista científica. Materiales de la Academia Nacional de Ciencias de EE. UU. (PNAS), titulado «Impulso de esperma de rayos autoadaptativo y eficiente a diferentes viscosidades que permiten dobles hélices no uniformes».

Un descubrimiento sorprendente

Su investigación reveló un nuevo y peculiar modo de movimiento de los espermatozoides radiales al que denominan «modelo de doble hélice heterogénea (HDH)». «En realidad, fue un descubrimiento aleatorio», dijo el Dr. Shi, que se centra en el desarrollo de una variedad de bioterapias.

Todo comenzó con la investigación posterior del equipo sobre el desarrollo de técnicas de inseminación artificial en la agricultura. pez cartilaginoso, incluidos los tiburones y las rayas, cuyo esqueleto consiste total o principalmente en cartílago. El pescado de cartílago se puede utilizar como fábrica para producir anticuerpos contra enfermedades, incluido COVID-19. Así que queríamos desarrollar técnicas de inseminación artificial para cultivarlas en una acuicultura de alto valor ”, dijo.

Durante este proceso, el equipo se sorprendió mucho cuando observaron por primera vez bajo un microscopio la estructura única y el movimiento flotante de los rayos de esperma. Descubrieron que los espermatozoides tenían un radio cabeza tiene una estructura en espiral larga en lugar de una forma redonda y gira con la cola al nadar.

El equipo estudió su mecanismo de accionamiento con más detalle, especialmente el papel exacto de la cabeza en movimiento. Descubrieron que los espermatozoides de rayos constan de secciones espirales heterogéneas: una cabeza espiral rígida y una cola blanda, que están conectadas por un «centro» que proporciona energía para la rotación. La cabeza del esperma no es solo un «contenedor» de material genético, sino que además, junto con una cola blanda, facilita la propulsión.

Alta eficiencia energética de la unidad HDH

Para comprender mejor el modo de movimiento, el equipo analizó una gran cantidad de datos de natación y observó la estructura interna de los espermatozoides a nanoescala. Dado que tanto la cabeza como la cola de los espermatozoides de rayos giraban en la misma dirección a diferentes velocidades de rotación y amplitudes mientras nadaban, el equipo lo llamó impulsión heterogénea de doble hélice (HDH).

Según su análisis estadístico, la cabeza representó aproximadamente el 31% de la fuerza impulsora total, que es la primera impulsión de la cabeza registrada entre todos los espermatozoides conocidos. Debido al aporte de la cabeza, la eficiencia de movimiento de los espermatozoides de los rayos es superior a la de otras especies como el esterlete y el toro, que solo son impulsados ​​por la cola.

«Este modo de propulsión no tradicional no solo le da a los espermatozoides radiales una alta adaptabilidad a una amplia gama de entornos pegajosos, sino que también conduce a una excelente capacidad motora y rendimiento», explicó el Dr. Shen, cuya investigación se centra en robótica y micro / nano manipulación y control.

Alta adaptabilidad al medio ambiente ambiental.

La adaptación al medio ambiente es fundamental en la selección natural. La cabeza y la cola de los espermatozoides del rayo pueden ajustar su movimiento y participación en la propulsión de acuerdo con la viscosidad del entorno, y nadar a diferentes velocidades para avanzar. En consecuencia, los espermatozoides de los rayos pueden moverse en varios ambientes con una amplia gama de viscosidades, mostrando una alta capacidad de adaptación al medio.

El equipo también descubrió que los espermatozoides radiantes tienen la capacidad única de nadar en dos direcciones, lo que significa que pueden nadar no solo hacia adelante sino también hacia atrás. Esta capacidad beneficia a los espermatozoides en la naturaleza, especialmente cuando encuentra obstáculos. Y otros espermatozoides con una cabeza en forma de bola o varilla no pueden lograr un movimiento bidireccional.

Gracias al modelo HDH, la cabeza de los espermatozoides en espiral de los rayos tiene una capacidad activa para rotar. Dado que tanto la cabeza como la cola contribuyen a la propulsión, el ángulo entre ellas creará una fuerza lateral en el cuerpo, permitiendo que el radio se mueva. esperma rotar, mostrando una gran flexibilidad en el movimiento.

Un robot inspirado en la biología demuestra el modelo HDH

El notable modelo HDH demostró muchas características de movilidad y rendimiento e inspiró al equipo a diseñar microrobots. Inspirado en la biología, el robot también tiene una cabeza espiral rígida y una suave. colamostró una ventaja similar sobre los convencionales en términos de adaptabilidad y rendimiento con el mismo consumo de energía. Pudo moverse hábilmente en un entorno con un líquido, incluso con un cambio de viscosidad.

Estas habilidades pueden proporcionar información sobre el diseño de robots flotantes para aplicaciones biomédicas y de ingeniería difíciles en el cuerpo humano con entornos fluidos complejos como los vasos sanguíneos.

“Creímos que comprendíamos este singular manejar revolucionará la comprensión del movimiento de los microorganismos, facilitando la comprensión de la fertilización natural y proporcionando inspiración para diseñar robots inspirados biológicamente en condiciones pegajosas ”, concluyó el Dr. Shen.


El nuevo dispositivo revela una cabeza de esperma giratoria y brinda a los científicos una imagen clara del movimiento 3D.

Más información:
Panbing Wang et al., Autoadaptativa y eficiente impulsión de esperma de rayos de diferentes viscosidades, posible gracias a dobles hélices no homogéneas, Materiales de la Academia Nacional de Ciencias (2021). DOI: 10.1073 / Lun.2024329118

Proporcionado por City University of Hong Kong

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *