The complete amino-acid sequence of the cyclic GMP-gated channel from bovine retinal rod photo-receptors, deduced by cloning and sequencing its complementary DNA, shows that the protein contains several putative transmembrane segments, followed by a region that is similar to the cyclic GMP-binding domains of cyclic GMP-dependent protein kinase. Expression of the complementary DNA produces cyclic GMP-gated channel activity in Xenopus oocytes.

Activity and autonomous motion are fundamental in living and engineering systems. This has stimulated the new field of 'active matter' in recent years, which focuses on the physical aspects of propulsion mechanisms, and on motility-induced emergent collective behavior of a larger number of identical agents. The scale of agents ranges from nanomotors and microswimmers, to cells, fish, birds, and people. Inspired by biological microswimmers, various designs of autonomous synthetic nano- and micromachines have been proposed. Such machines provide the basis for multifunctional, highly responsive, intelligent (artificial) active materials, which exhibit emergent behavior and the ability to perform tasks in response to external stimuli. A major challenge for understanding and designing active matter is their inherent nonequilibrium nature due to persistent energy consumption, which invalidates equilibrium concepts such as free energy, detailed balance, and time-reversal symmetry. Unraveling, predicting, and controlling the behavior of active matter is a truly interdisciplinary endeavor at the interface of biology, chemistry, ecology, engineering, mathematics, and physics. The vast complexity of phenomena and mechanisms involved in the self-organization and dynamics of motile active matter comprises a major challenge. Hence, to advance, and eventually reach a comprehensive understanding, this important research area requires a concerted, synergetic approach of the various disciplines. The 2020 motile active matter roadmap of Journal of Physics: Condensed Matter addresses the current state of the art of the field and provides guidance for both students as well as established scientists in their efforts to advance this fascinating area.

Abstract Sperm require a sense of direction to locate the egg for fertilization. They follow gradients of chemical and physical cues provided by the egg or the oviduct. However, the principles underlying three-dimensional (3D) navigation in chemical landscapes are unknown. Here using holographic microscopy and optochemical techniques, we track sea urchin sperm navigating in 3D chemoattractant gradients. Sperm sense gradients on two timescales, which produces two different steering responses. A periodic component, resulting from the helical swimming, gradually aligns the helix towards the gradient. When incremental path corrections fail and sperm get off course, a sharp turning manoeuvre puts sperm back on track. Turning results from an ‘off’ Ca 2+ response signifying a chemoattractant stimulation decrease and, thereby, a drop in cyclic GMP concentration and membrane voltage. These findings highlight the computational sophistication by which sperm sample gradients for deterministic klinotaxis. We provide a conceptual and technical framework for studying microswimmers in 3D chemical landscapes.

Abstract Many biological processes happen on a nano-to millimeter scale and within milliseconds. Established methods such as confocal microscopy are suitable for precise 3D recordings but lack the temporal or spatial resolution to resolve fast 3D processes and require labeled samples. Multifocal imaging (MFI) allows high-speed 3D imaging but is limited by the compromise between high spatial resolution and large field-of-view (FOV), and the requirement for bright fluorescent labels. Here, we provide a new open-source 3D reconstruction algorithm for multifocal images that allows using MFI for fast, precise, label-free tracking spherical and filamentous structures in a large FOV and across a high depth. We characterize fluid flow and flagellar beating of human and sea urchin sperm with a high z-precision of 0.15 μm, in a large volume of 240 x 260 x 21 μm, and at high speed (500 Hz). The large sampling volume allowed to follow sperm trajectories while simultaneously recording their flagellar beat. Our MFI concept is cost-effective, can be easily implemented, and does not rely on object labeling, which renders it broadly applicable.

ABSTRACT The reaction of CO 2 with H 2 O to form HCO 3 - and H + is one of the most important chemical equilibria in cells. In mammalian sperm, a soluble adenylyl cyclase (sAC) serves as cellular HCO 3 - sensor that conveys the equilibrium state via cAMP synthesis to cAMP-signaling molecules. The function of sAC and cAMP in non-mammalian sperm is largely unknown. Here, we identify sAC orthologs in sea urchin and salmon sperm that, surprisingly, are activated by alkaline pH rather than HCO 3 - . Two amino-acid residues required for HCO 3 - binding of mammalian sAC are lacking in pH-regulated sAC. Orthologs identified in ten other phyla are also lacking either one of these key residues, suggesting that pH control is widespread among non-mammalian metazoan. The pH-sensitive sAC controls several functions of sperm from external fertilizers. Upon spawning, alkalization triggers cAMP synthesis and, thereby, activates motility of quiescent sperm. Egg-derived chemoattractants also alkalize sperm and elevate cAMP, which then-modulates pacemaker HCN channels to trigger a chemotactic Ca 2+ response. Finally, the sAC and the voltage- and cAMP-activated Na + /H + exchanger sNHE mutually control each other. A picture of evolutionary significance is emerging: motility and sensory signaling of sperm from both internal and external fertilizers rely on cAMP, yet, their sAC is regulated by HCO 3 - or pH i , respectively. Acidification of aquatic habitats due to climate change may adversely affect pH-sensing by sAC and thereby sexual reproduction in the sea. Statement of significance Adenylyl cyclases synthesize cAMP, a prominent cellular messenger. A bicarbonate-sensitive AC family member, soluble AC (sAC), is tied to the chemical equilibrium: H 2 O + CO 2 ↔ HCO 3 - (bicarbonate) + H + . The sAC is required for fertilization: Mammals lacking sAC are infertile and sperm immotile. We now identify a new sAC form in sperm of non-mammalian animals that reproduce in the sea. This novel sAC is activated at alkaline pH rather than bicarbonate. It controls sperm motility and chemotaxis. The switch from HCO 3 - to pH rests on substitution of two amino-acids, which represents an adaptation to aquatic environments low in bicarbonate. Acidification of aquatic habitats due to climate change may adversely affect sAC activity and, thereby, fertilization.

Cells transform complex environmental stimuli into physiological responses. For time-varying stimuli or motile cells, the perception of the environment depends on the temporal stimulus pattern and cell motion, respectively. Here we report a concept, reverse optochemical engineering (ROCE), that uses temporal light patterns and photo-triggers to expose cells to virtual sensory landscapes while recording in real time their physiological responses and motor behavior. We studied cyclic-nucleotide signaling in cell lines, sperm, olfactory neurons, and cardiomyocytes. The technique can be employed for remote control of motility by light. We reprogrammed sperm from a chemotactic to a phototactic cell that is attracted towards light. The method provides new opportunities to decipher the mechanisms and signaling molecules underlying rapid cellular computations, and thus reveal the wire diagram of cellular networks.