ביופיסיקאים חושפים סימטריות עוצמתיות ברקמות חיים | מגזין קוונטה

לוקה ג'ומי עדיין זוכר את התקופה שבה, כסטודנט צעיר לתואר שני, הוא צפה בשני סרטונים של טיפות זורמות ממדפסת הזרקת דיו. הסרטונים היו כמעט זהים - אלא שאחד לא היה סרטון בכלל. זו הייתה סימולציה.

"הייתי מפוצץ לחלוטין", אמר ג'ומי, ביופיזיקאי באוניברסיטת ליידן. "אפשר היה לחזות הכל לגבי טיפות הדיו."

ההדמיה הופעלה על ידי החוקים המתמטיים של דינמיקת נוזלים, המתארת ​​כיצד מתנהגים גזים ונוזלים. ועכשיו, שנים אחרי שהתפעל מטיפות הדיו האלה, ג'ומי עדיין תוהה איך הוא יכול להשיג את רמת הדיוק הזו עבור מערכות קצת יותר מסובכות מטיפות דיו.

"החלום שלי הוא באמת להשתמש בכוח הניבוי הזה בשירות הביופיזיקה", אמר.

גיומי ועמיתיו פשוט עשו צעד חשוב לעבר המטרה הזו. ב מחקר פורסם ב פיזיקת טבע, הם מסיקים שיריעות של רקמת אפיתל, המרכיבות את העור ומעטפות את האיברים הפנימיים, פועלות כמו גבישים נוזליים - חומרים מסודרים כמו מוצקים אך זורמים כמו נוזלים. כדי ליצור את הקשר הזה, הצוות הוכיח ששתי סימטריות ברורות מתקיימות במקביל ברקמת האפיתל. הסימטריות השונות הללו, שקובעות כיצד גבישים נוזליים מגיבים לכוחות פיזיקליים, פשוט מופיעות בקנה מידה שונה.

התובנה של הצוות עשויה להקל על יישום הדיוק של סימולציות דינמיות נוזליות על רקמות חיות. אם כן, ג'ומי מקווה לחזות כיצד רקמות אנושיות זזות ומתעוותות במהלך תהליכים החל מהחלמה של פצעים ועד גרורות בסרטן.

"זה עיתון נהדר," אמר לינדה הירסט, פיזיקאי מאוניברסיטת קליפורניה, מרסד, שלא היה מעורב בעבודה. "הם באמת מתארים את הסימטריה של גיליונות התאים ביתר פירוט ממה שנעשה בעבר."

זרימה וסימטריה

גבישים נוזליים זורמים כמו נוזלים, אבל עדיין יש להם מידה של סדר גבישי - מעין סימטריה או כיווניות אינהרנטית שזה קצת כמו גרגר העץ. ובדיוק כפי שקרש עץ הוא החזק ביותר לאורך גרגיריו, התגובה של גביש נוזלי לגירויים תלויה בסימטריה ובכיוון שלו. כיווניות זו, הנקראת אניזוטרופיה, היא הקסם האופטי מאחורי צגי גביש נוזליים מודרניים, אשר שוברים אור באופן שונה בהתאם לכיוון שלהם.

למרות שאנו אולי מכירים יותר את הגבישים הנוזליים במסכי טלוויזיה, הם נפוצים גם בביולוגיה של התא, שנמצאים בתוך תאים ובממברנות התא. במהלך השנים האחרונות, חוקרים ניסו להראות שרקמות - קבוצות מאורגנות של תאים הפועלות יחד - יכולות להיחשב גם גבישים נוזליים. אם ניתן היה לתאר במדויק רקמה כגביש נוזלי, אז מערכת הכלים שבה משתמשים פיזיקאים כדי לחזות כיצד הגבישים מגיבים לכוחות יכולה להיות מופעלת בביולוגיה, אמר הירסט.

עם זאת, מאמצים אלה פגעו במחסום גיאומטרי. ניסויים ותיאורטיקנים לא יכלו להסכים על הסימטריה של הרקמה - המאפיין המגדיר ביותר של גביש נוזלי, והמפתח לניבוי התנהגותו באמצעות דינמיקת נוזלים. בסימולציות של קבוצות קטנות של תאים, תיאורטיקנים יכלו לתאר רקמות כגבישים נוזליים עם סימטריה "הקסטית" פי שישה, קצת כמו ריצוף של משושים. אבל בניסויים, רקמות במקום זאת פעלו כמו נוזלים עשויים מחלקיקים בצורת סרגל עם סימטריה "נמטית" כפולה - קצת כמו מה שהיית רואה אם ​​אתה שופך חבית של קיסמים לתוך צינור ותראה אותם זורמים.

"הייתה סתירה: הניסוי אומר נמטי; ניסויים מספריים ומודלים באופן כללי אומרים הקזתי", אמר ליביו קרנזה, פיזיקאי חישובי באוניברסיטת קוץ' באיסטנבול. "איך שני הדברים האלה מדברים אחד עם השני?"

סימולציות ראשוניות של קרנזה - חוקר לשעבר בקבוצתו של ג'ומי - העלו שניתן לפתור את המחלוקת אם שתי הסימטריות, פי שישה וכפולות, קיימות בו זמנית ברקמות. הרעיון היה שאם תגדיל את התצוגה על רקמה עם סימטריה נמטית, תמצא סימטריה הקזטית בקנה מידה קטן יותר.

"אבל אתה לא יכול לאמת תיאוריה עם תיאוריה," אמר ג'ומי. "אז עשינו את הניסויים."

לשם כך גייס גיאומי ג'וליה אקרט, אז דוקטורנט באוניברסיטת ליידן, כדי לאסוף נתונים מתרביות רקמות חיות.

"משכתי אותם למיקרוסקופ והראיתי להם תאים אמיתיים, לא רק את התאים שהם יכולים לראות בספרות", אמר אקרט, שהוא כיום ביופיזיקאי באוניברסיטת קווינסלנד. "אני אומר, 'האם אי פעם ראית תאים, אתה יודע, בחיים האמיתיים?' וזה היה כמו 'לא'. לא? בסדר בואו נלך!"

סדר נוזלים חדש

אקרט התחיל בגידול שכבות דקות של רקמת אפיתל במעבדה. אחר כך היא סימנה בקפידה את הגבולות של כל תא בודד בתמונות מיקרוסקופ. עכשיו ג'ומי והצוות שלו יכולים להתחיל לעבוד. הם רצו לראות אם הסימטריה של הרקמה שונה בין קשקשים קטנים - כשהם בוחנים רק כמה תאים ושכניהם - לבין קשקשים גדולים יותר.

אבל כדי להפריד את הסימטריות המקוננות בגליונות התאים של אקרט, הצוות היה צריך דרך אמינה להבחין בין סדרים נמטיים והקסטיים בנתונים ביולוגיים מבולגנים.

הביופיזיקאים של ליידן המציאו אובייקט מתמטי הנקרא טנזור צורות כדי ללכוד מידע על צורות התאים וכיווני התאים. באמצעותו, אקרט מדד את הסימטריות ברקמות בקנה מידה שונה, תחילה התייחס לתאים בודדים כיחידות הבסיסיות של הגביש ולאחר מכן עשה את אותו הדבר עבור קבוצות תאים.

בקנה מידה קטן, הם גילו שלרקמה יש סימטריה סיבובית פי שישה והיא נראתה קצת כמו ריצוף של משושים משופשפים. אבל כאשר הם בחנו קבוצות גדולות מכ-10 תאים, הופיעה סימטריה סיבובית כפולה. תוצאות הניסוי תאמו היטב את הסימולציות של קרנזה.

"זה היה די מדהים עד כמה הנתונים הניסויים והסימולציה המספרית תאמו", אמר אקרט. למעשה, זה התאים כל כך עד שהתגובה הראשונה של קרנזה הייתה שהיא חייבת להיות שגויה. הצוות דאג בצחוק שסוקר עמיתים עלול לחשוב שהם רימו. "זה באמת היה כל כך יפה," אמרה קרנזה.

התצפיות עונות על "שאלה ארוכת שנים לגבי סוג הסדר הקיים ברקמות", אמר יהושע שייביץ, פיזיקאי מאוניברסיטת פרינסטון שסקר את המאמר (ולא חשב שהם רימו). המדע לעתים קרובות "עכור", אמר, כאשר הנתונים מצביעים על אמיתות סותרות לכאורה - במקרה זה, הסימטריות המקוננות. "אז מישהו מציין או מראה ש, ובכן, הדברים האלה לא כל כך שונים. שניהם צודקים."

צורה, כוח ותפקוד

הגדרה מדויקת של סימטריה של גביש נוזלי היא לא רק תרגיל מתמטי. בהתאם לסימטריה שלו, טנזור המתח של גביש - מטריצה ​​הלוכדת כיצד חומר מתעוות תחת לחץ - נראה שונה. טנזור זה הוא הקישור המתמטי למשוואות דינמיקת הנוזלים שג'יומי רצה להשתמש בו כדי לחבר כוחות פיזיקליים ופונקציות ביולוגיות.

הבאת הפיזיקה של גבישים נוזליים לידי ביטוי ברקמות היא דרך חדשה להבין את העולם המבולגן והמסובך של הביולוגיה, אמר הירסט.

ההשלכות המדויקות של המעבר מסדר הקסטי לנמטי עדיין אינן ברורות, אך הצוות חושד שתאים עשויים להפעיל מידה מסוימת של שליטה על המעבר הזה. יש אפילו עדות שהופעת הסדר הנמטי קשורה להדבקה בתאים, אמרו. להבין כיצד ומדוע רקמות מביאות לידי ביטוי את שתי הסימטריות המשולבות הללו הוא פרויקט לעתיד - אם כי ג'יומי כבר עובד על השימוש בתוצאות כדי להבין כיצד תאים סרטניים זורמים בגוף כאשר הם שולחים גרורות. ושייביץ ציין שהגבישיות הנוזלית הרב-סקאלית של הרקמה יכולה להיות קשורה לעוברות - התהליך שבו עוברים מתעצבים לאורגניזמים.

אם יש רעיון מרכזי אחד בביופיזיקה של רקמות, אמר ג'ומי, זה שמבנה מוליד כוחות, וכוחות מולידים פונקציות. במילים אחרות, שליטה בסימטריה מרובת קנה מידה יכולה להיות חלק מהאופן שבו רקמות מסתכמות ליותר מסכום התאים שלהן.

יש "משולש של צורה, כוח ותפקוד", אמר ג'ומי. "תאים משתמשים בצורתם כדי לווסת כוחות, ואלה בתורם משמשים כמנוע פועל של פונקציונליות מכנית."

Quanta עורכת סדרה של סקרים כדי לשרת טוב יותר את הקהל שלנו. קח את שלנו סקר קוראי פיזיקה ותוכלו לזכות בחינם Quanta סחורה.