这种生物，Spirostomum ambiguum（多形旋口虫），依赖于钙离子和一种排列如渔网般的特殊蛋白质网络。这一系统使其收缩速度远快于人类肌肉，研究人员表示，这一发现最终可能有助于指导更快的人工肌肉和合成细胞机器的开发。
具有非凡速度的单细胞
Spirostomum ambiguum是一种巨大的单细胞纤毛虫，因其用于游泳的毛发状纤毛边缘而得名。在纤毛虫中，它以每秒约100个体长的速度收缩并迅速重复该运动的能力而脱颖而出。科学家认为，这种行为可能有助于该生物逃避捕食者或与其他纤毛虫交流。
人类肌肉纤维可以缩短相似的比例，但这一过程所需的时间大约是其10倍。这种差异使得Spirostomum（旋口虫）对想要了解使其实现这种极限速度的机制的研究人员来说尤为有趣。
“Spirostomum能做的事情和我们能做的事情之间的差异，归根结底在于驱动收缩的是什么，以及其背后的机制是什么样的，”北卡罗来纳州立大学生物物理学副教授、该工作的共同通讯作者玛丽·埃尔廷（Mary Elting）说。“如果我们能理解这些过程，它可能有助于我们构建模拟这种单细胞生物速度和力量的合成系统。”
像渔网一样工作的蛋白质网络
研究团队利用电子显微镜和免疫荧光显微镜对Spirostomum进行了详细检查。他们发现，钙离子引发了收缩，而一种不同寻常的渔网状结构则执行了这一运动。
与动物不同，像Spirostomum这样的单细胞生物没有肌肉纤维。相反，它们含有称为肌原纤维（myonemes）的纤维状结构。这些结构由钙结合蛋白centrin和Sfi1构成。
在Spirostomum中，肌原纤维在生物体外部周围形成了一个渔网状的网。一旦收缩开始，该网络就会向内收紧，然后恢复到其原始构型。
“渔网几何结构是独特的，因为它使Spirostomum能够均匀收缩，从而在其快速移动时保护其内部细胞器（单细胞生物的器官版本），”埃尔廷说。“它之所以有效，是因为肌原纤维中的Sfi1蛋白可以从刚性转变为柔性。在钙离子存在的情况下，Sfi1失去刚性并像一团湿面条一样聚集成块，这导致渔网拉紧，使生物体收缩。”
一种截然不同的驱动运动方式
人类肌肉使用三磷酸腺苷（ATP）来储存和释放收缩所需的能量。Spirostomum似乎依赖于一种根本不同的过程。
“将我们肌肉收缩的方式与Spirostomum的工作方式进行比较，就像比较燃气和电力，”埃尔廷说。“ATP经历化学变化并被‘燃烧掉’，就像汽油一样，而钙离子则像电流一样起作用，尽管我们仍然不知道是什么产生了启动电流的电压，或者它是如何‘重置’以便收缩能够再次发生的。”
这种重置能力仍然是主要的未解之谜之一。研究人员现在希望更准确地确定钙是如何触发收缩的，以及该生物如何准备自身以重复这一过程。
“我们原以为钙触发的反应是‘一次性’的，但Spirostomum可以重复进行，”埃尔廷说。“了解其运动的这些方面是构建快速移动、不依赖ATP的人工肌肉的关键。”
迈向更快的人工肌肉
这些发现可能为寻求构建不依赖ATP即可快速移动的人工肌肉的工程师提供有用的线索。通过了解Spirostomum如何反复触发和重置其钙驱动的收缩系统，研究人员希望揭示可适用于合成装置的原理。
该研究发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上，并得到了美国国家科学基金会的支持，资助编号为1935260、2313722、2313724、1935262、1817334、2313727和2313725，以及美国国立卫生研究院NIGMS的支持，资助编号为R35GM130327和R35GM142588。
该工作的共同通讯作者是芝加哥大学化学教授亚伦·丁纳（Aaron Dinner）；德雷克大学生物学马歇尔和朱迪思·弗拉潘讲席教授杰里·洪茨（Jerry Honts）；以及科罗拉多大学博尔德分校化学与生物工程副教授萨阿德·巴姆拉（Saad Bhamla）。
北卡罗来纳州立大学的其他贡献者包括前博士生、第一作者约瑟夫·兰南（Joseph Lannan）和研究助理教授彼得·汤普森（Peter Thompson）。芝加哥大学的卡洛斯·弗洛伊德（Carlos Floyd）和苏里亚纳拉亚南·瓦伊昆塔纳坦（Suriyanarayanan Vaikuntanathan）；佐治亚理工学院的L.X. Xu；以及加州大学旧金山分校的康妮·严（Connie Yan）和华莱士·马歇尔（Wallace Marshall）也对这项工作做出了贡献。