Caenorhabditis elegans (C. elegans) is a transparent nematode, living in damp soil environments whose body length is about 1 mm. It has been widely used as a model organism in various fields of fundamental biolog-ical and biomedical researches thanks to its attractive features such as easy maintenance, small size (~1 mm in length, 959 cells), completely sequenced genome, optical translucency, a comprehensive library of mutants, var-ious taxis behaviors for chemical, temperature, and electrical gradients, as well as fully determined neural con-nectivity amongst 302 neurons. Given what is known about neural connectivity, a wide range of behavioral stu-dies have been attempted to uncover the relationship between behaviors and responsible neurons.
In this study, we investigate the motility behavior of C. elegans in various physical environments. Be-cause worms live in damp soils, they are naturally exposed to both solid and liquid environments as well as the mixture of them. We design the appropriate systems for each condition and investigate the worm??s crawling and swimming behaviors and their adaptation to the mechanically different environments. In solid environment, two independent topics of the shallow turn behavior, a newly classified reorientation mode in off food navigation and the surface rigidity dependent crawling behavior are investigated. We show that the worm executes a shallow turn by modulating the amplitude and wavelength of its curvature during forward movement, and provide a mi-nimal description of the process using a three parameter mathematical model to sharpen the question to an un-derstanding of how these parameters are controlled at the neuromotor circuit level. The worms exhibit adaptive behavior to surfaces of different mechanical rigidities by changing its crawling waveform. To the other extreme of liquid environment, we consider the swimming behavior of C. elegans in non-Newtonian colloidal suspen-sions to compare it with that in purely viscous water. When compared to swimming in pure water, worms show enhanced swimming motion in the colloidal suspensions, which are mixtures of water and 600 nm sized polysty-rene beads. It is revealed that the enhanced swimming motion resulted from the shear thinning fluid properties of colloids and the consequent unique stroke pattern of a worm.
예쁜 꼬마선충은 물기가 있는 흙 속에 사는 약 1mm 정도 크기의 투명한 선충이다. 꼬마선충은 기초 생물학이나 생물의학과 같은 여러 연구분야에서 널리 사용되는 모델 생물이다. 왜냐하면 실험실에서 배양하기 용이하고 그 게놈이 완전히 밝혀져 있으며 여러 돌연변이들을 이용할 수 있을 뿐만 아니라 주화성, 주온성 그리고 전기주성과 같은 다양한 행동을 보이는 많은 장점을 가지고 있기 때문이다. 특히, 302개의 신경세포들 사이의 연결관계가 모두 알려져 있어서 이를 바탕으로 꼬마선충의 행동과 이를 제어하는 신경세포들 사이의 관계를 밝히고자 꼬마선충의 운동에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.
본 연구에서는 다양한 물리적인 환경에서 움직이는 꼬마선충의 운동성을 다루었다. 꼬마선충은 자연상태에서 물기가 있는 흙 속에서 서식하기 때문에 고체나 액체 또는 고체와 액체가 섞여있는 복잡한 물리적인 환경에 노출될 수 있다. 본 연구에서는 여러 환경에 해당하는 적절한 실험조건을 설계하고 꼬마선충의 기는 운동과 수영 운동 그리고 기계적으로 다른 외부환경에 대한 적응행동을 연구하였다. 아가를 재료로 한 고체환경에서는 꼬마선충이 아무 자극이 없는 곳에서 탐색행동을 할 때 사용하는 새로운 방향전환 운동인 얕은 각 회전운동과 표면강성이 다른 고체표면에서 기는 운동을 다루었다. 이 연구를 통해 꼬마선충이 앞으로 움직이는 동안 몸의 곡률을 변화시켜 얕은 각 회전을 하는데 곡률의 진폭과 파장을 조절한다는 것을 알 수 있었다. 또한 세가지 파라미터를 바탕으로 한 수학모델을 세워 얕은 각 회전 운동을 이론적으로 기술하였다. 이 모델을 이용하면 꼬마선충이 얕은 각 회전운동을 할 때 파라미터들을 어떻게 제어하는지를 신경회로 수준에서 그 해답을 찾을 수 있을 것이다. 표면강성이 다른 고체표면에서는 꼬마선충이 기어가는 파형을 변화시켜서 외부 환경의 차이에 적응한다는 것을 알 수 있었다. 한편, 액체환경에서는 비뉴튼유체인 콜로이드 혼합물에서 꼬마선충의 수영 운동을 고려하고 뉴턴유체인 물에서 수영 운동과 비교하였다. 이 연구를 통해 물과 600 나노미터 크기의 폴리스티렌 비드들이 혼합되어 있는 콜로이드 혼합물에서 움직이는 꼬마선충이 운동성이 증대된 수영 운동을 보였다. 이 증대된 수영 운동은 콜로이드 혼합물의 전단담화 특성과 꼬마선충의 특이한 스트록 패턴에서 기인한 것으로 밝혀졌다.
