Slim slijm – een geheugen zonder zenuwstelsel.

                                

Breaking down the microbiology world one bite at a time


Slim slijm – een geheugen zonder zenuwstelsel.

Slijmzwammen zijn fascinerend. Ze werden oorspronkelijk ingedeeld bij de schimmels (vandaar de naam slijmzwam) maar werden later ingedeeld bij de protisten. Een protist is een eukaryotisch organisme (de cellen bevatten een kern) dat geen dier, plant of schimmel is. Slijmzwammen zijn uniek: ze bevinden zich op de kruising tussen het planten-, dieren- en schimmelrijk en geven ons een inzicht in de vroege evolutionaire geschiedenis van de eukaryoten.

Slijmzwam op een boom. Bron: Flickr https://www.flickr.com/photos/volvob12b/17025090657 

De slijmzwam Physarum polycephalum (“de veelkoppige slijmzwam”, ook wel bekend als ‘de Blob’) is uitgebreid bestudeerd in het laboratorium. Hun lichaam is één grote cel, bestaande uit ‘buisjes’ die een ingewikkeld netwerk vormen dat zich centimeters, of zelfs meters, kan uitstrekken! Ze zijn te vinden in vochtige, schaduwrijke habitats zoals bosbodems of (dode) schors van bomen. Maar P. polycephalum trekt de aandacht vanwege iets anders. Ze blijken informatie over de beschikbaarheid van voedsel (in het verleden) te kunnen onthouden, een eigenschap die over het algemeen in verband wordt gebracht met organismen met een zenuwstelsel. Bovendien kunnen ze de kortste weg in een doolhof vinden door hun buislichaam voortdurend aan te passen. Het is zelfs onlangs de ruimte in geschoten om het effect van microzwaartekracht op het gedrag te onderzoeken!

Normaal gezien kunnen organismen zonder zenuwstelsel een vorm van geheugen hebben door ‘gebruik te maken van’ alternatieve strategieën, waaronder epigenetica , biologische (circadiane) klokken (weten bacterien hoe laat het is? Lees het in dit artikel), en celgeheugen tijdens chemotaxis. Deze acties nemen ten minste een half uur, zo niet een hele dag in beslag, zodat alleen “trage beslissingen” mogelijk zijn. P. polycephalum lijkt echter beslissingen te nemen binnen 10-20 minuten om complexe problemen op te lossen, wat wijst op een onbekende alternatieve strategie.

In een recente studie hebben Mirna Kramar en Karen Alim bestudeerd hoe de slijmzwam dit voor elkaar krijgt. Hoe wordt de locatie van een voedingsbron ‘gecodeerd’ in de morfologie van het buizen-netwerk? Daarvoor introduceerden ze een voedingsbron dicht bij het netwerk en zagen dat de buisjes die zich het dichtst bij het voedsel bevonden wijder werden en dat de buisjes die het verst van het voedsel verwijderd waren, leken te krimpen. De slijmzwam  reorganiseerde zijn lichaam dus ten gunste van het voedsel en was in staat naar de voedselbron toe te migreren. Maar wat is het onderliggende mechanisme van dit gedrag?

P. polycephalum probeert uit zijn doos te kruipen. Bron: https://mushroomobserver.org/430799 door Norty Edwards. 

De onderzoekers stelden vast dat de snelheid van de buisjes die wijder worden overeenkwam met de snelheid van deeltjes die door het buisnetwerk stromen: 15 micrometer per seconde, wat neerkomt op 5,4 centimeter per uur (ter vergelijking: de gemiddelde slak kan 4800 cm/u afleggen). De onderzoekers veronderstelden dat er een chemisch signaal moet zijn dat het netwerk als een snelweg gebruikt. En inderdaad, zij ontdekten dat zodra de slijmzwam in contact kwam met een voedselbron, een oplosbare chemische stof vrijkwam in het cytoplasma (de binnenkant van de slijmbuizen), waardoor de buiswand week werd en de buizen opzwelden. Door de stroming van het cytoplasma verspreidde dit effect door het hele netwerk. Door de concentratieverschillen van de chemise stof was dit effect groter dichtbij de bron van het voedsel.

Aangezien het zwellen van de buisjes permanent is (althans, de verwijding duurde tot het einde van het experiment), worden eerdere voedselbronnen in het netwerk ‘gecodeerd’ door gebieden die grotere buisjes hebben. En hoe dichter bij de voedselbron, hoe groter de buisjes (meer chemicaliën beschikbaar). Het totale volume van de slijmzwam verandert niet, dus als delen van het netwerk uitzetten, moeten andere delen krimpen, iets wat de onderzoekers ook zagen in hun experimenten. Bij de introductie van een voedselbron verder weg van het grote buizennetwerk, heroriënteerde de slijmvorm zich door de buizen dicht bij de nieuwe voedingsstoffen uit te zetten en het oude buizennetwerk te laten krimpen. Het oude ‘geheugen’ van de vorige voedselbron wordt nu dus overschreven door de nieuwe voedselbron.

Vereenvoudigd mechanisme van het zwellen van de slijmbuizen: (1) Slijmbuizen groeien in willekeurige richtingen. (2) Wanneer de buis dicht genoeg bij een voedselbron is, worden externe signalen opgemerkt. (3) Een chemische stof komt vrij in het cytoplasma en wordt door het buisjesnetwerk getransporteerd. (4) Door de hogere concentratie van de chemische stof wordt de wand van de buisjes zachter en worden de buisjes die zich het dichtst bij de voedselbron bevinden wijder. Hierdoor krimpt het verder weg gelegen deel van het netwerk. Gemaakt in Biorender.

De onderzoekers bouwden een wiskundig model om de detectie en reactie van de slijmzwam op een potentiële voedselbron te simuleren en vergeleken dat met de experimentele gegevens. De voorspellingen kwamen sterk overeen met wat ze in de experimenten zagen! 

De onderzoeksresultaten geven niet alleen inzicht in het probleemoplossend vermogen van P. polycephalum, maar kunnen ook helpen bij de verdere ontwikkeling van de productie van ‘slimme materialen’ of ‘zachte robots’. Deze robots kunnen bijvoorbeeld hun morfologie aanpassen aan de omgeving, en/of breekbare voorwerpen dragen en aanraken omdat ze flexibele onderdelen hebben. Dit maakt ze nuttig voor toepassingen op het gebied van hulpverlening en menselijke interactie, zoals ouderenzorg en protheses. Door gebruik te maken van de modellen en de theorie die gebaseerd zijn op de relatief eenvoudige mechanismen van P. polycephalum kunnen deze materialen nieuwe eigenschappen krijgen, zoals het vermogen om te reageren en zich aan te passen aan de omgeving.


Link to the original post: Mirna Kramar, Karen Alim (2021), Encoding memory in tube diameter hierarchy of living flow network, Proceedings of the National Academy of Sciences,  118 (10) e2007815118; DOI: 10.1073/pnas.2007815118

Featured image: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Physarum_polycephalum_plasmodium.jpg


Vertaald door: Charlotte van de Velde