MARC

 008250123s2024        us                              c    eng  d
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■020    ▼a9798346875147
■035    ▼a(MiAaPQ)AAI31632431
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a574
■1001  ▼aDiaz,  Ulises.▼0(orcid)0000-0003-4847-5948
■24510▼aThe  Mid-Cell  Cytoplasmic  Solution  to  Gel  State  Transition  Drives  Cytoplasmic  Mixing  of  Tracer  Beads  and  Organelles  in  the  Giant  Amoebozoa  Chaos  carolinensis
■260    ▼a[Sl]▼bUniversity  of  California,  San  Francisco▼c2024
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2024
■300    ▼a81  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  86-06,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Mullins,  Roland.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--University  of  California,  San  Francisco,  2024.
■520    ▼aThe  cytoplasm  is  a  dynamic  fluid  where  cellular  building  blocks  and  components  are  continuously  mixing.  Cytoplasmic  mixing  is  important  for  transporting  intracellular  material  ranging  from  nucleotides  and  proteins  to  full  organelles.  In  large  cell  types,  such  as  ameboid  and  neutrophil  cells,  cytoplasmic  streaming  is  coupled  to  membrane  deformations  that  accompany  in  motility.  How  well  or  how  long  it  takes  for  material  to  mix  in  cytoplasmic  streams  during  motility  remains  an  open  question.  In  relatively  small  volumes  of  viscous  fluids  at  very  low  Reynolds  numbers,  such  as  the  cytoplasm,  it  should  be  difficult  to  obtain  significant  mixing  for  structures  in  the  size  range  of  organelles  simply  from  streaming  laminar  flows.  Although  small  things  like  proteins  can  eventually  mix  through  diffusion,  microscale  structures  are  expected  to  mix  on  a  significantly  slower  time  frame  or  not  at  all.  In  this  work  we  discovered  how  the  giant  amoeba  Chaos  carolinensis  overcomes  these  limitations  using  a  novel  cytoplasmic  gel  state  capture  and  release  strategy  to  facilitate  the  extremely  efficient  mixing  of  its  cytoplasm.  While  it  was  previously  thought  that  the  amoeba  solution  to  gel  state  transitions  only  occurs  at  the  trailing  and  leading  edge  of  the  cell  body,  our  work  indicates  that  these  transitions  occur  frequently  throughout  the  mid-cell  region,  driving  the  cytoplasmic  mixing  of  beads  and  organelles.  These  results  indicate  that  amoeba  reaches  a  stable  mixed  state  during  motility  in  as  little  as  one  cytoplasmic  stream/flow  cycle,  effectively  making  it  a  Bernoulli  system  and  thus  one  of  the  fastest  possible  known  intracellular  mixers. To  study  cytoplasmic  streams,  we  microinjected  fluorescent  beads  into  amoeba  and  recorded  their  movement  using  time-lapse  microscopy  for  up  to  12  hours.  In  addition  to  bead  trajectories,  we  microinject  histone  H1  labeled  with  alexa  488  and  tracked  nuclei  movement.  To separate  the  movements  of  beads  and  nuclei  from  overall  cell  motility,  we  employed  automated  image  processing  to  stabilize  the  videos,  making  the  amoeba  appear  to  crawl  in  place.  Power  law  fits  of  interparticle  distance  over  time  allowed  us  to  classify  bead  pair  separation  events  into  sub-diffusive,  diffusive,  super-diffusive,  and  ballistic  transport  regimes.  Using  mean  squared  displacement  analysis,  we  also  distinguished  gel-state  from  liquid-state  flows.  This  classification  enabled  us  to  calculate  diffusion  coefficients,  mean  velocities,  and  dwell  times  for  each  state,  which  we  used  to  simulate  the  time  required  for  two  particle  populations  to  achieve  stable  mixing.  To  validate  these  simulations,  we  developed  a  method  to  computationally  label  and  track  two  distinct  bead  populations  from  a  single-color  bead  injection.  This  approach  allowed  us  to  observe  new  mixing  events  frame  by  frame  and  showed  strong  agreement  between  simulated  and  experimental  results.Here  we  show  the  innovative  strategy  through  which  the  giant  amoeba  Chaos  carolinensis  achieves  efficient  cytoplasmic  mixing  despite  its  reliance  on  low-Reynolds-number,  laminar  flow.  Our  results  highlight  the  role  of  mid-cell  sol-to-gel  transitions  in  facilitating  efficient  mixing,  enabling  material  exchange  between  cytoplasmic  layers  and  allowing  complete  intracellular  mixing  within  a  single  flow  cycle.  Novel  computational  approaches  validated  the  robustness  of  these  dynamics  through  simulation,  showing  alignment  with  experimental  data  for  both  bead  and  nuclear  trajectories.  Moreover,  pseudopod  modulation  was  found  to  have  minimal  impact  on  mixing  efficiency,  underscoring  the  unique  contribution  of  sol-to-gel  state  dynamics.  This  work  establishes  a  robust  framework  for  studying  intracellular  mixing,  with  potential  applications  across  cellular  systems  characterized  by  cytoplasmic  streaming.
■590    ▼aSchool  code:  0034.
■650  4▼aCellular  biology
■650  4▼aBiophysics
■650  4▼aBiology
■650  4▼aBiochemistry
■653    ▼aAmoeba
■653    ▼aCytoplasmic  mixing
■653    ▼aHyper  mixing
■653    ▼aMicroinjection
■653    ▼aSingle  label  multi-color  mixing
■653    ▼aGel  state  transition
■690    ▼a0379
■690    ▼a0786
■690    ▼a0487
■690    ▼a0306
■71020▼aUniversity  of  California,  San  Francisco▼bBiochemistry  and  Molecular  Biology.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g86-06B.
■790    ▼a0034
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2024
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17164609▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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