Biofyysikot paljastavat voimakkaita symmetrioita elävissä kudoksissa | Quanta-lehti

Luca Giomi muistaa edelleen ajan, jolloin hän nuorena jatko-opiskelijana katsoi kaksi videota mustesuihkutulostimesta virtaavista pisaroista. Videot olivat käytännössä identtisiä - paitsi yksi ei ollut ollenkaan video. Se oli simulaatio.

"Olin aivan ymmälläni", sanoi Giomi, Leidenin yliopiston biofyysikko. "Voit ennustaa kaiken mustepisaroista."

Simulaatiossa käytettiin nestedynamiikan matemaattisia lakeja, jotka kuvaavat kaasujen ja nesteiden käyttäytymistä. Ja nyt, vuosia noiden mustepisaroiden ihailun jälkeen, Giomi ihmettelee edelleen, kuinka hän voisi saavuttaa tällaisen tarkkuuden järjestelmissä, jotka ovat hieman monimutkaisempia kuin mustepisarat.

"Unelmani on todella käyttää tätä ennustusvoimaa biofysiikan palveluksessa", hän sanoi.

Giomi ja hänen kollegansa ottivat juuri tärkeän askeleen kohti tätä tavoitetta. Sisään tutkimus julkaistu Luontofysiikka, he päättelevät, että epiteelikudoslevyt, jotka muodostavat ihon ja peittävät sisäelimiä, toimivat kuin nestekiteet – materiaalit, jotka ovat järjestetty kiinteiden aineiden tapaan, mutta virtaavat kuin nesteet. Tämän yhteyden luomiseksi ryhmä osoitti, että epiteelikudoksessa on kaksi erillistä symmetriaa. Nämä erilaiset symmetriat, jotka määräävät, kuinka nestekiteet reagoivat fysikaalisiin voimiin, näkyvät yksinkertaisesti eri mittakaavassa.

Ryhmän näkemys voisi helpottaa nestedynaamisten simulaatioiden tarkkuuden soveltamista eläviin kudoksiin. Jos näin on, Giomi toivoo ennustavansa, kuinka ihmisen kudokset liikkuvat ja muotoutuvat prosessien aikana haavan paranemisesta syövän etäpesäkkeisiin.

"Se on hieno lehti", sanoi Linda Hirst, fyysikko Kalifornian yliopistosta Mercedistä, joka ei ollut mukana työhön. "Ne todella kuvaavat solulevyjen symmetriaa yksityiskohtaisemmin kuin aiemmin."

Virtaus ja symmetria

Nestekiteet virtaavat kuin nesteet, mutta niillä on silti tietty kiteinen järjestys - eräänlainen luontainen symmetria tai suuntaus, joka on vähän kuin puun syyt. Ja aivan kuten puulankku on vahvin sykeään pitkin, nestekiteen vaste ärsykkeisiin riippuu sen symmetriasta ja suunnasta. Tämä suuntaavuus, jota kutsutaan anisotropiaksi, on nykyaikaisten nestekidenäyttöjen optista taikuutta, joka taittaa valoa eri tavalla niiden suunnasta riippuen.

Vaikka saatamme olla tutumpia television näytöissä oleviin nestekiteisiin, ne ovat yleisiä myös solubiologiassa, ja niitä löytyy solujen sisältä ja solukalvoista. Muutaman viime vuoden aikana tutkijat ovat yrittäneet osoittaa, että kudoksia – järjestäytyneitä soluryhmiä, jotka toimivat yhdessä – voidaan pitää myös nestekiteinä. Jos kudosta voitaisiin kuvata tarkasti nestekiteeksi, fyysikot ennustavat, kuinka kiteet reagoivat voimiin, voitaisiin käyttää biologiassa, Hirst sanoi.

Nämä pyrkimykset osuivat kuitenkin geometriseen tiesulkuun. Kokeilijat ja teoreetikot eivät päässeet yksimielisyyteen kudoksen symmetriasta - nestekiteen määrittyvimmistä ominaisuuksista ja avaimesta sen käyttäytymisen ennustamiseen nestedynamiikan avulla. Pienten soluryhmien simulaatioissa teoreetikot voisivat kuvata kudoksia nestekiteiksi, joilla on kuusinkertainen "heksaattinen" symmetria, vähän kuin kuusikulmioiden laatoitus. Mutta kokeissa kudokset toimivat sen sijaan nesteitä, jotka oli valmistettu tangon muotoisista hiukkasista, joilla oli kaksinkertainen "nemaattinen" symmetria – vähän samalla tavalla kuin näkisit, jos kaataisit tynnyrin hammastikkuja putkeen ja katselisit niiden virtaamista.

”Oli ristiriita: koe sanoo nemaattisen; numeeriset kokeet ja mallit yleensä sanovat heksaattisiksi", sanoi Livio Carenza, laskennallinen fyysikko Koçin yliopistossa Istanbulissa. "Kuinka nämä kaksi asiaa puhuvat keskenään?"

Carenzan – Giomin ryhmän entisen tutkijan – alustavat simulaatiot ehdottivat, että erimielisyydet voitaisiin ratkaista, jos molemmat symmetriat, kuusin ja kaksinkertaiset, olisivat olemassa samanaikaisesti kudoksissa. Ajatuksena oli, että jos lähennät kudosta, jolla on nemaattinen symmetria, löydät pienemmän mittakaavan heksaattisen symmetrian.

"Mutta et voi vahvistaa teoriaa teorialla", Giomi sanoi. "Joten teimme kokeita."

Tätä varten Giomi rekrytoi Julia Eckert, sitten jatko-opiskelija Leidenin yliopistossa kerätäkseen tietoja elävistä kudosviljelmistä.

"Vedin ne mikroskoopin luo ja näytin heille todellisia soluja, ei vain soluja, joita he voivat nähdä kirjallisuudessa", sanoi Eckert, joka on nykyään biofyysikko Queenslandin yliopistossa. "Minä sanon: 'Oletko koskaan nähnyt soluja, tiedätkö, tosielämässä?' Ja se oli kuin "Ei". Ei? OK, mennään!"

Uusi nestetilaus

Eckert aloitti kasvattamalla ohuita epiteelikudoksia laboratoriossa. Sitten hän merkitsi huolellisesti kunkin yksittäisen solun rajat mikroskooppikuviin. Nyt Giomi ja hänen tiiminsä pääsivät töihin. He halusivat nähdä, eroaako kudoksen symmetria pienten asteikkojen välillä - kun he ottivat huomioon vain muutaman solun ja niiden naapurit - ja loitonnettujen, suurempien asteikkojen välillä.

Mutta Eckertin solujen sisäkkäisten symmetrioiden erottamiseksi ryhmä tarvitsi luotettavan tavan erottaa nemaattiset ja heksaattiset järjestykset sotkuisissa biologisissa tiedoissa.

Leidenin biofyysikot kehittivät matemaattisen objektin, jota kutsutaan muototensoriksi, joka kaappaa tietoa solujen muodoista ja suunnasta. Sen avulla Eckert mittasi kudosten symmetriat eri mittakaavassa, käsitellen ensin yksittäisiä soluja kiteen perusyksikköinä ja sitten tekemällä saman soluryhmille.

Pienessä mittakaavassa he havaitsivat, että kudoksella oli kuusinkertainen pyörimissymmetria ja se näytti hieman tasoittettujen kuusikulmioiden laatalta. Mutta kun he tutkivat ryhmiä, jotka olivat suurempia kuin noin 10 solua, ilmaantui kaksinkertainen rotaatiosymmetria. Kokeelliset tulokset sopivat siististi Carenzan simulaatioihin.

"Oli melko hämmästyttävää, kuinka hyvin kokeellinen data ja numeerinen simulointi sopivat yhteen", Eckert sanoi. Itse asiassa se vastasi niin läheisesti, että Carenzan ensimmäinen vastaus oli, että sen täytyy olla väärä. Tiimi pelkäsi leikkiä, että vertaisarvioija saattaisi ajatella, että he olivat pettäneet. "Se oli todella kaunis", Carenza sanoi.

Havainnot vastaavat "pitkäaikaiseen kysymykseen kudoksissa esiintyvän järjestyksen tyypistä", sanoi Joshua Shaevitz, Princetonin yliopiston fyysikko, joka arvosti paperin (eikä uskonut pettäneensä). Tiede "muuttuu usein hämäräksi", hän sanoi, kun tiedot viittaavat näennäisesti ristiriitaisiin totuuksiin - tässä tapauksessa sisäkkäisiin symmetrioihin. ”Sitten joku huomauttaa tai osoittaa, että no, ne asiat eivät ole niin erilaisia. He ovat molemmat oikeassa."

Muoto, voima ja toiminta

Nestekiden symmetrian tarkka määrittäminen ei ole vain matemaattinen harjoitus. Symmetriastaan ​​riippuen kiteen jännitystensori - matriisi, joka kuvaa materiaalin muodonmuutoksia jännityksen alaisena - näyttää erilaiselta. Tämä tensori on matemaattinen linkki nestedynamiikan yhtälöihin, joita Giomi halusi käyttää yhdistämään fyysisiä voimia ja biologisia toimintoja.

Nestekiteiden fysiikan tuominen kudoksiin on uusi tapa ymmärtää biologian sotkuista ja monimutkaista maailmaa, Hirst sanoi.

Heksaattisesta nemaattiseen järjestykseen siirtymisen tarkat vaikutukset eivät ole vielä selvillä, mutta ryhmä epäilee, että solut voivat hallita tätä siirtymää. On jopa näyttö että nemaattisen järjestyksen syntymisellä on jotain tekemistä soluadheesion kanssa, he sanoivat. Sen selvittäminen, kuinka ja miksi kudokset ilmentävät näitä kahta lomitettua symmetriaa, on tulevaisuuden projekti – vaikka Giomi työskentelee jo tulosten avulla ymmärtääkseen, kuinka syöpäsolut virtaavat kehon läpi metastasoituessaan. Ja Shaevitz totesi, että kudoksen monimuotoinen nestekiteisyys voi liittyä alkioiden syntymiseen - prosessiin, jolla alkiot muovautuvat organismeiksi.

Jos kudosbiofysiikassa on yksi keskeinen ajatus, Giomi sanoi, se on, että rakenne synnyttää voimia ja voimat synnyttävät toimintoja. Toisin sanoen moniasteisen symmetrian hallinta voisi olla osa sitä, kuinka kudokset muodostavat enemmän kuin niiden solujen summa.

Siellä on "muodon, voiman ja toiminnan kolmio", Giomi sanoi. "Solut käyttävät muotoaan säätelemään voimia, ja nämä puolestaan ​​toimivat mekaanisen toiminnan moottorina."

Quanta tekee sarjan kyselyjä palvellakseen paremmin yleisöämme. Ota meidän fysiikan lukijakysely ja pääset mukaan voittamaan ilmaiseksi Quanta kauppatavaraa.