बायोफिजिसिस्टों ने जीवित ऊतकों में शक्तिशाली समरूपता का पता लगाया | क्वांटा पत्रिका

लुका जियोमी उन्हें अभी भी वह समय याद है जब, एक युवा स्नातक छात्र के रूप में, उन्होंने एक इंकजेट प्रिंटर से बूंदों के दो वीडियो देखे थे। वीडियो व्यावहारिक रूप से समान थे - सिवाय इसके कि एक बिल्कुल भी वीडियो नहीं था। यह एक अनुकरण था.

लीडेन यूनिवर्सिटी के बायोफिजिसिस्ट जियोमी ने कहा, "मैं बिल्कुल स्तब्ध था।" "आप स्याही की बूंदों के बारे में सब कुछ भविष्यवाणी कर सकते हैं।"

सिमुलेशन द्रव गतिकी के गणितीय नियमों द्वारा संचालित था, जो बताता है कि गैसें और तरल पदार्थ कैसे व्यवहार करते हैं। और अब, उन स्याही की बूंदों की प्रशंसा करने के वर्षों बाद, जियोमी को अभी भी आश्चर्य होता है कि वह उन प्रणालियों के लिए परिशुद्धता के उस स्तर को कैसे प्राप्त कर सकता है जो स्याही की बूंदों की तुलना में थोड़ा अधिक जटिल हैं।

"मेरा सपना वास्तव में बायोफिज़िक्स की सेवा में इस पूर्वानुमानित शक्ति का उपयोग करना है," उन्होंने कहा।

जियोमी और उनके सहयोगियों ने उस लक्ष्य की ओर एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। में एक खोज में प्रकाशित प्रकृति भौतिकी, उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि उपकला ऊतक की चादरें, जो त्वचा बनाती हैं और आंतरिक अंगों को ढकती हैं, तरल क्रिस्टल की तरह काम करती हैं - ऐसी सामग्रियां जो ठोस की तरह व्यवस्थित होती हैं लेकिन तरल की तरह बहती हैं। उस संबंध को बनाने के लिए, टीम ने प्रदर्शित किया कि उपकला ऊतक में दो अलग-अलग समरूपताएं सह-अस्तित्व में हैं। ये अलग-अलग समरूपताएं, जो यह निर्धारित करती हैं कि लिक्विड क्रिस्टल भौतिक बलों पर कैसे प्रतिक्रिया करते हैं, बस अलग-अलग पैमाने पर दिखाई देते हैं।

टीम की अंतर्दृष्टि जीवित ऊतकों पर द्रव गतिशील सिमुलेशन की सटीकता को लागू करना आसान बना सकती है। यदि ऐसा है, तो जियोमी को यह अनुमान लगाने की उम्मीद है कि घाव भरने से लेकर कैंसर मेटास्टेसिस तक की प्रक्रियाओं के दौरान मानव ऊतक कैसे चलते और विकृत होते हैं।

“यह एक बढ़िया पेपर है,” कहा लिंडा हर्स्टकैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, मर्सिड के एक भौतिक विज्ञानी, जो इस काम में शामिल नहीं थे। "वे वास्तव में सेल शीट की समरूपता का पहले से कहीं अधिक विस्तार से वर्णन कर रहे हैं।"

प्रवाह और समरूपता

लिक्विड क्रिस्टल तरल पदार्थ की तरह बहते हैं, लेकिन उनमें अभी भी क्रिस्टलीय क्रम की एक डिग्री होती है - एक प्रकार की अंतर्निहित समरूपता या दिशात्मकता जो लकड़ी के दाने की तरह होती है। और जिस तरह एक लकड़ी का तख्ता अपने तने के साथ सबसे मजबूत होता है, उसी तरह उत्तेजनाओं के प्रति लिक्विड क्रिस्टल की प्रतिक्रिया उसकी समरूपता और अभिविन्यास पर निर्भर करती है। यह दिशात्मकता, जिसे अनिसोट्रॉपी कहा जाता है, आधुनिक लिक्विड क्रिस्टल डिस्प्ले के पीछे का ऑप्टिकल जादू है, जो उनके अभिविन्यास के आधार पर प्रकाश को अलग-अलग तरीके से अपवर्तित करता है।

हालाँकि हम टीवी स्क्रीन में लिक्विड क्रिस्टल से अधिक परिचित हो सकते हैं, वे कोशिका जीव विज्ञान में भी आम हैं, जो कोशिकाओं के अंदर और कोशिका झिल्लियों में पाए जाते हैं। पिछले कुछ वर्षों में, शोधकर्ताओं ने यह दिखाने की कोशिश की है कि ऊतक - कोशिकाओं के संगठित समूह जो एक साथ कार्य करते हैं - को तरल क्रिस्टल भी माना जा सकता है। हेयरस्ट ने कहा, यदि ऊतक को लिक्विड क्रिस्टल के रूप में सटीक रूप से वर्णित किया जा सकता है, तो उपकरणों का सेट जो भौतिक विज्ञानी यह अनुमान लगाने के लिए उपयोग करते हैं कि क्रिस्टल बलों पर कैसे प्रतिक्रिया करते हैं, उन्हें जीव विज्ञान में काम में लाया जा सकता है।

हालाँकि, इन प्रयासों में एक ज्यामितीय बाधा उत्पन्न हुई। प्रयोगवादी और सिद्धांतकार ऊतक की समरूपता पर सहमत नहीं हो सके - एक लिक्विड क्रिस्टल की सबसे परिभाषित विशेषता, और द्रव गतिशीलता का उपयोग करके इसके व्यवहार की भविष्यवाणी करने की कुंजी। कोशिकाओं के छोटे समूहों के सिमुलेशन में, सिद्धांतकार ऊतकों को छह गुना "हेक्साटिक" समरूपता के साथ तरल क्रिस्टल के रूप में वर्णित कर सकते हैं, कुछ हद तक हेक्सागोन्स की टाइलिंग की तरह। लेकिन प्रयोगों में, ऊतकों ने दोहरे "नेमैटिक" समरूपता के साथ बार के आकार के कणों से बने तरल पदार्थ की तरह काम किया - कुछ-कुछ वैसा ही जैसा कि आप देखेंगे यदि आप एक ट्यूब में टूथपिक्स की एक बैरल डालते हैं और उन्हें बहते हुए देखते हैं।

“वहां एक विरोधाभास था: प्रयोग नेमैटिक कहता है; संख्यात्मक प्रयोग और मॉडल सामान्य तौर पर हेक्साटिक कहते हैं, ”ने कहा लिवियो कैरेंज़ा, इस्तांबुल में कोक विश्वविद्यालय में एक कम्प्यूटेशनल भौतिक विज्ञानी। "ये दोनों चीज़ें एक दूसरे से कैसे बात करती हैं?"

जिओमी के समूह में एक पूर्व शोधकर्ता कैरेंज़ा द्वारा प्रारंभिक सिमुलेशन ने सुझाव दिया कि असहमति को हल किया जा सकता है यदि दोनों समरूपताएं, छह गुना और दो गुना, ऊतकों में एक साथ मौजूद हों। विचार यह था कि यदि आप नेमैटिक समरूपता वाले ऊतक पर ज़ूम इन करते हैं, तो आपको छोटे पैमाने की हेक्साटिक समरूपता मिलेगी।

"लेकिन आप सिद्धांत को सिद्धांत से सत्यापित नहीं कर सकते," जियोमी ने कहा। "तो हमने प्रयोग किए।"

ऐसा करने के लिए, जियोमी ने भर्ती की जूलिया एकर्ट, फिर लीडेन विश्वविद्यालय में डॉक्टरेट छात्र, जीवित ऊतक संस्कृतियों से डेटा इकट्ठा करने के लिए।

"मैंने उन्हें माइक्रोस्कोप के पास खींचा और उन्हें वास्तविक कोशिकाएँ दिखाईं, न कि केवल वे कोशिकाएँ जो वे साहित्य में देख सकते हैं," एकर्ट ने कहा, जो अब क्वींसलैंड विश्वविद्यालय में बायोफिजिसिस्ट हैं। "मैं कहता हूं, 'क्या आपने कभी वास्तविक जीवन में कोशिकाएं देखी हैं?' और यह 'नहीं' जैसा था। नहीं? ठीक चलो चलते हैं!"

एक नया द्रव आदेश

एकर्ट ने प्रयोगशाला में उपकला ऊतक की पतली परतें उगाने से शुरुआत की। फिर उसने माइक्रोस्कोप छवियों में प्रत्येक व्यक्तिगत कोशिका की सीमाओं को सावधानीपूर्वक चिह्नित किया। अब जियोमी और उनकी टीम काम पर लग सकती है। वे यह देखना चाहते थे कि क्या ऊतक की समरूपता छोटे पैमाने के बीच भिन्न होती है - जब उन्होंने केवल कुछ कोशिकाओं और उनके पड़ोसियों पर विचार किया - और बड़े पैमाने पर ज़ूम-आउट किया।

लेकिन एकर्ट की कोशिकाओं की शीट में निहित समरूपता को सुलझाने के लिए, टीम को गंदे जैविक डेटा में नेमेटिक और हेक्साटिक ऑर्डर को अलग करने के लिए एक विश्वसनीय तरीके की आवश्यकता थी।

लीडेन बायोफिजिसिस्टों ने कोशिकाओं के आकार और दिशाओं के बारे में जानकारी प्राप्त करने के लिए शेप टेंसर नामक एक गणितीय वस्तु तैयार की। इसका उपयोग करते हुए, एकर्ट ने विभिन्न पैमानों पर ऊतकों में समरूपता को मापा, पहले व्यक्तिगत कोशिकाओं को क्रिस्टल की मूल इकाइयों के रूप में माना और फिर कोशिकाओं के समूहों के लिए भी ऐसा ही किया।

छोटे पैमाने पर, उन्होंने पाया कि ऊतक में छह गुना घूर्णी समरूपता थी और वह चिकने षट्कोणों की टाइल की तरह दिखता था। लेकिन जब उन्होंने लगभग 10 कोशिकाओं से बड़े समूहों की जांच की, तो दोहरी घूर्णी समरूपता सामने आई। प्रयोगात्मक परिणाम कैरेंज़ा के सिमुलेशन से स्पष्ट रूप से सहमत थे।

एकर्ट ने कहा, "यह बहुत आश्चर्यजनक था कि प्रयोगात्मक डेटा और संख्यात्मक सिमुलेशन कितनी अच्छी तरह मेल खाते थे।" वास्तव में, यह इतनी बारीकी से मेल खाता था कि कैरेंज़ा की पहली प्रतिक्रिया थी कि यह गलत होना चाहिए। टीम ने मजाक में चिंता व्यक्त की कि एक सहकर्मी समीक्षक सोच सकता है कि उन्होंने धोखा दिया है। कैरेंज़ा ने कहा, "यह सचमुच बहुत सुंदर था।"

अवलोकन "ऊतकों में मौजूद क्रम के प्रकार के बारे में लंबे समय से चले आ रहे प्रश्न" का उत्तर देते हैं जोशुआ शैवित्ज़, प्रिंसटन विश्वविद्यालय के एक भौतिक विज्ञानी जिन्होंने पेपर की समीक्षा की (और नहीं सोचा कि उन्होंने धोखा दिया है)। उन्होंने कहा, विज्ञान अक्सर "अस्पष्ट हो जाता है", जब डेटा प्रतीत होता है कि परस्पर विरोधी सत्य की ओर इशारा करता है - इस मामले में, नेस्टेड समरूपता। “तब कोई इस ओर इशारा करता है या दिखाता है कि, ख़ैर, वे चीज़ें इतनी अलग नहीं हैं। वे दोनों सही हैं।”

रूप, बल और कार्य

लिक्विड क्रिस्टल की समरूपता को सटीक रूप से परिभाषित करना केवल एक गणितीय अभ्यास नहीं है। इसकी समरूपता के आधार पर, एक क्रिस्टल का तनाव टेंसर - एक मैट्रिक्स जो कैप्चर करता है कि तनाव के तहत एक सामग्री कैसे विकृत होती है - अलग दिखती है। यह टेंसर द्रव गतिकी समीकरणों का गणितीय लिंक है जिसका उपयोग जियोमी भौतिक बलों और जैविक कार्यों को जोड़ने के लिए करना चाहता था।

हर्स्ट ने कहा कि ऊतकों पर लिक्विड क्रिस्टल की भौतिकी को लाना जीव विज्ञान की गन्दी, जटिल दुनिया को समझने का एक नया तरीका है।

हेक्साटिक से नेमैटिक क्रम में हैंडऑफ़ के सटीक निहितार्थ अभी तक स्पष्ट नहीं हैं, लेकिन टीम को संदेह है कि कोशिकाएं उस संक्रमण पर कुछ हद तक नियंत्रण स्थापित कर सकती हैं। वहाँ भी है सबूत उन्होंने कहा कि नेमैटिक ऑर्डर के उद्भव का कोशिका आसंजन से कुछ लेना-देना है। यह पता लगाना कि ऊतक इन दो अंतर्संबंधित समरूपताओं को कैसे और क्यों प्रकट करते हैं, भविष्य के लिए एक परियोजना है - हालांकि जियोमी पहले से ही परिणामों का उपयोग करके यह समझने पर काम कर रहा है कि जब वे मेटास्टेसिस करते हैं तो कैंसर कोशिकाएं शरीर में कैसे प्रवाहित होती हैं। और शेविट्ज़ ने कहा कि एक ऊतक की बहुस्तरीय तरल क्रिस्टलीयता भ्रूणजनन से संबंधित हो सकती है - वह प्रक्रिया जिसके द्वारा भ्रूण खुद को जीवों में ढालते हैं।

जिओमी ने कहा, यदि ऊतक बायोफिज़िक्स में एक केंद्रीय विचार है, तो वह यह है कि संरचना बलों को जन्म देती है, और बल कार्यों को जन्म देते हैं। दूसरे शब्दों में, मल्टीस्केल समरूपता को नियंत्रित करना इस बात का हिस्सा हो सकता है कि ऊतक अपनी कोशिकाओं के योग से अधिक कैसे जुड़ते हैं।

जिओमी ने कहा, "रूप, बल और कार्य का एक त्रिकोण है।" "कोशिकाएं बलों को विनियमित करने के लिए अपने आकार का उपयोग करती हैं, और ये बदले में यांत्रिक कार्यक्षमता के चलने वाले इंजन के रूप में काम करती हैं।"

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