Международный коллектив ученых исследовал механику движения мужских половых клеток
Дата публикации: 09.12.2015
Международный коллектив ученых из Англии, США и России, в который вошел сотрудник Университета ИТМО Игорь Кухтевич, выяснил, что для поворота направо сперматозоидам приходится вытягивать шеи. Этот маневр позволяет им противостоять левовращающему движению своих хвостов. Получить такой вывод ученым удалось путем детального трехмерного анализа движения сперматозоидов в потоке. Результаты работы указывают на существование двух физиологически разных популяций сперматозоидов. Детали исследования приведены в статье, опубликованной 7 декабря в журнале PNAS.
Хвост сперматозоида позволяет этим половым клеткам свободно продвигаться вперед даже против направления потока. В работе ученые из Уорикского университета, Массачусетского технологического института (MIT), Университета ИТМО, Санкт-Петербургского Академического университета и Института аналитического приборостроения РАН показали, что во всех случаях без исключения хвост сперматозоида вращается против часовой стрелки. Такое левовращающее движение означает, что сперматозоиды должны быть в состоянии двигаться лишь влево, однако оказалось, что приблизительно в половине случаев сперматозоиды способны двигаться и вправо.
Сперматозоиды состоят из головы, средней части, также именуемой шеей, и хвоста. Как показали эксперименты, для того, чтобы противостоять естественной левовращающей силе, вызванной колебаниями хвостов, сперматозоидам приходилось изменять форму своего тела в средней части. Разница в движениях, необходимых для поворота сперматозоида налево и направо означает, что все сперматозоиды могут либо поворачивать в обоих направлениях, либо только в одном. Это указывает на возможность существования двух физиологически разных популяций сперматозоидов.
Василий Канцлер, сотрудник кафедры физики Уорикского университета и руководитель коллектива прокомментировал открытие:
«Ученые только приближаются к пониманию того, как передвигаются сперматозоиды. Не так давно мы выяснили, что сперматозоиды предпочитают плавать вблизи поверхностей, что оказалось ключом к пониманию того, как и почему они двигаются против направления течения. Тем не менее, почему эти клетки отклоняются от прямолинейной траектории, до недавнего времени оставалось загадкой, – рассказывает Канцлер. – Изучив трехмерную реконструкцию колебаний хвоста клетки сперматозоида, мы пришли к заключению, что все сперматозоиды вращают свой хвост только против часовой стрелки, поворачивая таким образом налево. В то же время мы заметили, что у сперматозоидов, поворачивающих направо имеется правосторонний перегиб в средней части, который выполняет роль противодействующего фактора по отношению к левовращающей силе хвоста».
Чтобы добиться понимания этих процессов, ученые спроектировали серию экспериментов, позволяющих наблюдать поведение мужских половых клеток в перистальтических условиях, где поток вызывается сокращением и расслаблением мышц тела. Нечто похожее происходит в процессе оплодотворения: перистальтические сокращения заставляют жидкость двигаться вперед и назад, предоставляя сперматозоидам преимущество в продвижении к цели.
Визуализировав траектории сперматозоидов, которые поворачивают налево и направо, ученые получили изображение, по форме напоминающее сердце. Это открытие побудило ученых провести более углубленный анализ трехмерного поведения хвостов сперматозоидов при высоком временном и пространственном разрешении – ранее это не предпринималось ни одной группой. Такой подход привел к открытию двух различных режимов движения сперматозоидов.
«Сперматозоид – это носитель генетического материала. В дальнейшем было бы интересно изучить то, как конкретный генетический материал и его упаковка на борту у сперматозоида влияют на открытую нами асимметрию в движениях этих клеток. Может, например, оказаться, что мальчики поворачивают налево, а девочки направо. Но это уже вопрос, который требует дальнейшего изучения в первую очередь биологами», – подводит итог Игорь Кухтевич, сотрудник кафедры нанотехнологий и материаловедения Университета ИТМО.
Статья:
“Bimodal rheotactic behavior reflects flagellar beat asymmetry in human sperm cells,” Anton Bukatin, Igor Kukhtevich, Norbert Stoop, Jörn Dunkel, Vasily Kantsler. PNAS
Дмитрий Мальков,
Отдел по научным коммуникациям Университета ИТМО