بیوفیزیکدانان تقارن های قدرتمند در بافت زنده را کشف کردند | مجله کوانتا

لوکا جیومی هنوز زمانی را به یاد می آورد که به عنوان یک دانشجوی جوان فارغ التحصیل، دو ویدیو از قطرات که از یک چاپگر جوهر افشان پخش می شد را تماشا کرد. ویدیوها عملاً یکسان بودند - با این تفاوت که یکی اصلاً ویدیو نبود. شبیه سازی بود

جیومی، بیوفیزیکدان در دانشگاه لیدن، گفت: «من کاملاً متحیر بودم. "شما می توانید همه چیز را در مورد قطرات جوهر پیش بینی کنید."

این شبیه‌سازی توسط قوانین ریاضی دینامیک سیالات، که نحوه رفتار گازها و مایعات را توصیف می‌کند، انجام شد. و اکنون، سال‌ها پس از تحسین این قطرات جوهر، جیومی هنوز در تعجب است که چگونه می‌تواند برای سیستم‌هایی که کمی پیچیده‌تر از قطرات جوهر هستند، به این سطح از دقت دست یابد.

او گفت: "رویای من واقعاً این است که از این قدرت پیش بینی در خدمت بیوفیزیک استفاده کنم."

جیومی و همکارانش گام مهمی را به سوی این هدف برداشتند. که در یک مطالعه منتشر شده در فیزیک طبیعتآنها به این نتیجه رسیدند که ورقه‌های بافت اپیتلیال، که پوست را می‌سازند و اندام‌های داخلی را می‌پوشانند، مانند کریستال‌های مایع عمل می‌کنند - موادی که مانند جامدات مرتب شده‌اند اما مانند مایعات جریان دارند. برای ایجاد این ارتباط، تیم نشان داد که دو تقارن مجزا در بافت اپیتلیال وجود دارند. این تقارن های مختلف، که تعیین می کنند کریستال های مایع چگونه به نیروهای فیزیکی واکنش نشان می دهند، به سادگی در مقیاس های مختلف ظاهر می شوند.

بینش این تیم می‌تواند کاربرد دقیق شبیه‌سازی‌های دینامیکی سیال را در بافت‌های زنده آسان‌تر کند. اگر چنین است، جیومی امیدوار است که پیش‌بینی کند که چگونه بافت‌های انسانی در طی فرآیندهایی از بهبود زخم تا متاستاز سرطان تغییر شکل می‌دهند.

گفت: "این یک مقاله عالی است." لیندا هرست، یک فیزیکدان در دانشگاه کالیفرنیا، مرسده، که در این کار دخالتی نداشت. آنها واقعاً تقارن صفحات سلولی را با جزئیات بیشتری از آنچه قبلاً انجام شده است توصیف می کنند.

جریان و تقارن

کریستال‌های مایع مانند سیال جریان دارند، اما هنوز هم درجه‌ای از نظم کریستالی دارند - نوعی تقارن یا جهت ذاتی که کمی شبیه دانه‌های چوب است. و همانطور که یک تخته چوب در امتداد دانه خود قوی ترین است، واکنش کریستال مایع به محرک ها به تقارن و جهت گیری آن بستگی دارد. این جهت که ناهمسانگردی نامیده می شود، جادوی نوری پشت نمایشگرهای کریستال مایع مدرن است که بسته به جهت خود، نور را به طور متفاوتی شکست می دهند.

اگرچه ممکن است بیشتر با کریستال‌های مایع در صفحه‌های تلویزیون آشنا باشیم، اما در زیست‌شناسی سلولی نیز رایج هستند و در داخل سلول‌ها و در غشای سلولی یافت می‌شوند. در چند سال گذشته، محققان تلاش کرده‌اند نشان دهند که بافت‌ها - گروه‌های سازمان‌یافته سلول‌هایی که با هم عمل می‌کنند - می‌توانند کریستال‌های مایع نیز در نظر گرفته شوند. هرست گفت: اگر بتوان بافت را به‌طور دقیق به‌عنوان یک کریستال مایع توصیف کرد، پس مجموعه ابزارهایی که فیزیکدانان برای پیش‌بینی چگونگی واکنش کریستال‌ها به نیروها استفاده می‌کنند، می‌توانند در زیست‌شناسی کار کنند.

با این حال، این تلاش ها به یک مانع هندسی برخورد کردند. آزمایش‌گران و نظریه‌پردازان نمی‌توانستند در مورد تقارن بافت به توافق برسند - مشخص‌کننده‌ترین ویژگی یک کریستال مایع، و کلید پیش‌بینی رفتار آن با استفاده از دینامیک سیال. در شبیه‌سازی گروه‌های کوچکی از سلول‌ها، نظریه‌پردازان می‌توانند بافت‌ها را به‌عنوان کریستال‌های مایع با تقارن شش‌گانه «هگزاتیک» توصیف کنند، که کمی شبیه کاشی‌کاری‌های شش ضلعی است. اما در آزمایش‌ها، بافت‌ها در عوض مانند مایعات ساخته شده از ذرات میله‌ای با تقارن «نماتیکی» دوگانه عمل می‌کردند - کمی شبیه چیزی که اگر یک بشکه خلال دندان را در یک لوله ریخته و جریان آنها را تماشا کنید، می‌بینید.

یک تناقض وجود داشت: آزمایش می گوید نماتیک. آزمایش‌های عددی و مدل‌ها به طور کلی می‌گویند هگزاتیک لیویو کارنزافیزیکدان محاسباتی در دانشگاه کوچ استانبول. "این دو چیز چگونه با یکدیگر صحبت می کنند؟"

شبیه‌سازی‌های اولیه توسط Carenza - محقق سابق گروه Giomi - نشان داد که اگر هر دو تقارن، شش و دو برابر، به طور همزمان در بافت‌ها وجود داشته باشند، می‌توان این اختلاف را حل کرد. ایده این بود که اگر روی بافتی با تقارن نماتیکی زوم کنید، تقارن هگزاتیکی در مقیاس کوچکتر پیدا خواهید کرد.

جیومی گفت: «اما شما نمی توانید نظریه را با نظریه تأیید کنید. بنابراین ما آزمایش‌ها را انجام دادیم.»

برای انجام این کار، جیومی استخدام کرد جولیا اکرت، سپس دانشجوی دکترا در دانشگاه لیدن، برای جمع آوری داده ها از کشت بافت زنده.

اکرت که اکنون یک بیوفیزیکدان در دانشگاه کوئینزلند است، گفت: «من آنها را به میکروسکوپ کشیدم و سلول‌های واقعی را به آنها نشان دادم، نه تنها سلول‌هایی را که می‌توانند در ادبیات ببینند. می‌گویم، آیا تا به حال سلول‌ها را در زندگی واقعی دیده‌ای؟ و مثل "نه" بود. نه؟ باشه بزن بریم!"

سفارش مایعات جدید

Eckert با رشد لایه های نازک بافت اپیتلیال در آزمایشگاه شروع کرد. سپس او با دقت مرزهای هر سلول را در تصاویر میکروسکوپی مشخص کرد. حالا جیومی و تیمش می توانند دست به کار شوند. آنها می خواستند ببینند که آیا تقارن بافت بین مقیاس های کوچک - زمانی که آنها فقط چند سلول و همسایگان آنها را در نظر می گیرند - و مقیاس های کوچک شده و بزرگتر متفاوت است یا خیر.

اما برای تفکیک تقارن‌های تودرتو در صفحات سلول‌های اکرت، تیم به روشی قابل اعتماد برای تشخیص نظم‌های نماتیک و هگزاتیک در داده‌های بیولوژیکی نامرتب نیاز داشت.

بیوفیزیکدانان لیدن یک شی ریاضی به نام تانسور شکل ابداع کردند تا اطلاعاتی در مورد اشکال و جهت سلول ها به دست آورند. اکرت با استفاده از آن، تقارن‌های بافت‌ها را در مقیاس‌های مختلف اندازه‌گیری کرد، ابتدا سلول‌های منفرد را به‌عنوان واحدهای اصلی کریستال در نظر گرفت و سپس همین کار را برای گروه‌هایی از سلول‌ها انجام داد.

در مقیاس های کوچک، آن ها دریافتند که بافت دارای تقارن چرخشی شش برابری است و کمی شبیه به کاشی کاری از شش ضلعی های صاف شده است. اما هنگامی که آنها گروه های بزرگتر از حدود 10 سلول را بررسی کردند، تقارن چرخشی دوگانه ظاهر شد. نتایج تجربی کاملاً با شبیه‌سازی‌های Carenza مطابقت داشت.

اکرت گفت: «تطابق داده‌های تجربی و شبیه‌سازی عددی بسیار شگفت‌انگیز بود. در واقع، آنقدر مطابقت داشت که اولین پاسخ کارنزا این بود که باید اشتباه باشد. تیم به شوخی نگران بود که یک داور همتا فکر کند تقلب کرده اند. کارنزا گفت: «واقعا خیلی زیبا بود.

گفت: مشاهدات به یک سوال دیرینه درباره نوع نظم موجود در بافت ها پاسخ می دهد جاشوا شاویتز، یک فیزیکدان در دانشگاه پرینستون که مقاله را بررسی کرد (و فکر نمی کرد تقلب کرده باشند). او گفت، زمانی که داده ها به حقایق ظاهراً متضاد اشاره می کنند - در این مورد، تقارن های تودرتو، علم اغلب "تاری می شود". "سپس کسی اشاره می کند یا نشان می دهد که خوب، آن چیزها چندان متمایز نیستند. هر دو درست می‌گویند.»

فرم، نیرو و عملکرد

تعریف دقیق تقارن کریستال مایع فقط یک تمرین ریاضی نیست. بسته به تقارن آن، تانسور تنش کریستال - ماتریسی که نحوه تغییر شکل یک ماده تحت تنش را نشان می دهد - متفاوت به نظر می رسد. این تانسور پیوند ریاضی به معادلات دینامیک سیالات است که جیومی می خواست از آن برای اتصال نیروهای فیزیکی و توابع بیولوژیکی استفاده کند.

هرست گفت که آوردن فیزیک کریستال های مایع روی بافت ها راه جدیدی برای درک دنیای آشفته و پیچیده زیست شناسی است.

پیامدهای دقیق انتقال از مرتبه هگزاتیک به نماتیک هنوز مشخص نیست، اما تیم مشکوک است که سلول ها ممکن است درجه ای از کنترل را بر این انتقال اعمال کنند. حتی وجود دارد مدرک گفتند که پیدایش نظم نماتیکی با چسبندگی سلولی ارتباط دارد. پی بردن به اینکه چگونه و چرا بافت ها این دو تقارن درهم آمیخته را نشان می دهند پروژه ای برای آینده است - اگرچه Giomi در حال حاضر روی استفاده از نتایج کار می کند تا بفهمد سلول های سرطانی چگونه در بدن در هنگام متاستاز جریان می یابند. و شاویتز اشاره کرد که بلورینگی مایع چند مقیاسی یک بافت می تواند با جنین زایی مرتبط باشد - فرآیندی که در آن جنین ها خود را به ارگانیسم ها تبدیل می کنند.

به گفته جیومی، اگر یک ایده اصلی در بیوفیزیک بافت وجود داشته باشد، این است که ساختار نیروها را به وجود می آورد و نیروها باعث ایجاد عملکرد می شوند. به عبارت دیگر، کنترل تقارن چند مقیاسی می‌تواند بخشی از این باشد که چگونه بافت‌ها بیشتر از مجموع سلول‌هایشان جمع می‌شوند.

جیومی گفت: "مثلثی از فرم، نیرو و عملکرد وجود دارد." سلول‌ها از شکل خود برای تنظیم نیروها استفاده می‌کنند و اینها به نوبه خود به عنوان موتور در حال کار عملکرد مکانیکی عمل می‌کنند.

کوانتوم در حال انجام یک سری نظرسنجی برای ارائه خدمات بهتر به مخاطبانمان است. ما را بگیر نظرسنجی فیزیک خوان و شما برای برنده شدن رایگان وارد خواهید شد کوانتوم کالا