Biofysikere avdekker kraftige symmetrier i levende vev | Quanta Magazine

Luca Giomi husker fortsatt tiden da han som ung hovedfagsstudent så to videoer av dråper som strømmet fra en blekkskriver. Videoene var praktisk talt identiske - bortsett fra at en ikke var en video i det hele tatt. Det var en simulering.

"Jeg var helt sinnsblåst," sa Giomi, en biofysiker ved Leiden University. "Du kan forutsi alt om blekkdråpene."

Simuleringen ble drevet av de matematiske lovene for væskedynamikk, som beskriver hvordan gasser og væsker oppfører seg. Og nå, år etter å ha beundret disse blekkdråpene, lurer Giomi fortsatt på hvordan han kan oppnå det nivået av presisjon for systemer som er litt mer kompliserte enn blekkdråper.

"Drømmen min er virkelig å bruke så mye prediktiv kraft i biofysikkens tjeneste," sa han.

Giomi og kollegene hans tok nettopp et viktig skritt mot det målet. I en studie publisert i Naturfysikk, konkluderer de med at ark av epitelvev, som utgjør huden og de indre organene, fungerer som flytende krystaller - materialer som er ordnet som faste stoffer, men flyter som væsker. For å gjøre den forbindelsen demonstrerte teamet at to distinkte symmetrier eksisterer side om side i epitelvev. Disse forskjellige symmetriene, som bestemmer hvordan flytende krystaller reagerer på fysiske krefter, vises ganske enkelt i forskjellige skalaer.

Teamets innsikt kan gjøre det lettere å bruke presisjonen til flytende dynamiske simuleringer på levende vev. I så fall håper Giomi å forutsi hvordan menneskelig vev beveger seg og deformeres under prosesser som spenner fra sårheling til kreftmetastaser.

"Det er et flott papir," sa Linda Hirst, en fysiker ved University of California, Merced, som ikke var involvert i arbeidet. "De beskriver virkelig symmetrien til cellearkene mer detaljert enn det som har blitt gjort før."

Flyt og symmetri

Flytende krystaller flyter som væsker, men de har fortsatt en grad av krystallinsk rekkefølge - en slags iboende symmetri eller retning som er litt som trekornet. Og akkurat som en treplanke er sterkest langs fibrene, avhenger en flytende krystalls respons på stimuli av dens symmetri og orientering. Denne retningsvirkningen, kalt anisotropi, er den optiske magien bak moderne flytende krystallskjermer, som bryter lys forskjellig avhengig av deres orientering.

Selv om vi kanskje er mer kjent med flytende krystaller i TV-skjermer, er de også vanlige i cellebiologi, funnet inne i celler og i cellemembraner. I løpet av de siste årene har forskere forsøkt å vise at vev - organiserte grupper av celler som virker sammen - også kan betraktes som flytende krystaller. Hvis vev kunne beskrives nøyaktig som en flytende krystall, kan settet med verktøy som fysikere bruker for å forutsi hvordan krystaller reagerer på krefter settes i gang i biologien, sa Hirst.

Denne innsatsen traff imidlertid en geometrisk veisperring. Eksperimentalister og teoretikere kunne ikke bli enige om vevs symmetri - en flytende krystalls mest definerende egenskap, og nøkkelen til å forutsi oppførselen ved hjelp av væskedynamikk. I simuleringer av små grupper av celler, kan teoretikere beskrive vev som flytende krystaller med seksdobbel "heksatisk" symmetri, litt som flislegging av sekskanter. Men i eksperimenter fungerte vev i stedet som væsker laget av stangformede partikler med todelt "nematisk" symmetri - litt som det du ville se hvis du helte en tønne med tannpirkere i et rør og så dem strømme.

"Det var en selvmotsigelse: Eksperiment sier nematisk; numeriske eksperimenter og modeller sier generelt heksatiske,» sa Livio Carenza, en beregningsfysiker ved Koç-universitetet i Istanbul. "Hvordan snakker disse to tingene med hverandre?"

Foreløpige simuleringer av Carenza - en tidligere forsker i Giomis gruppe - antydet at uenigheten kunne løses hvis begge symmetriene, seksdobbelt og todelt, eksisterte samtidig i vev. Tanken var at hvis du zoomet inn på et vev med nematisk symmetri, ville du finne heksatisk symmetri i mindre skala.

"Men du kan ikke bekrefte teori med teori," sa Giomi. "Så vi gjorde eksperimentene."

For å gjøre det rekrutterte Giomi Julia Eckert, den gang doktorgradsstudent ved Universitetet i Leiden, for å samle data fra levende vevskulturer.

"Jeg dro dem til mikroskopet og viste dem ekte celler, ikke bare cellene de kan se i litteraturen," sa Eckert, som nå er biofysiker ved University of Queensland. «Jeg sier: 'Har du noen gang sett celler, vet du, i det virkelige liv?' Og det var som "Nei." Nei? Ok la oss gå!"

En ny væskebestilling

Eckert startet med å dyrke tynne lag av epitelvev i laboratoriet. Deretter markerte hun nøye grensene for hver enkelt celle i mikroskopbilder. Nå kunne Giomi og teamet hans begynne å jobbe. De ønsket å se om vevets symmetri var forskjellig mellom små skalaer - når de bare vurderte noen få celler og deres naboer - og utzoomete, større skalaer.

Men for å skille ut de nestede symmetriene i Eckerts celleark, trengte teamet en pålitelig måte å skille nematiske og heksatiske ordener i rotete biologiske data.

Leiden biofysikere utviklet et matematisk objekt kalt en formtensor for å fange informasjon om cellenes former og retninger. Ved å bruke den målte Eckert symmetriene i vevene i forskjellige skalaer, først behandlet individuelle celler som krystallens grunnleggende enheter og deretter gjorde det samme for grupper av celler.

I små skalaer fant de ut at vevet hadde seksdobbel rotasjonssymmetri og så litt ut som en flislegging av utslettede sekskanter. Men da de undersøkte grupper større enn rundt 10 celler, dukket det opp todelt rotasjonssymmetri. De eksperimentelle resultatene stemte fint overens med Carenzas simuleringer.

"Det var ganske utrolig hvor godt de eksperimentelle dataene og den numeriske simuleringen samsvarte," sa Eckert. Faktisk stemte det så tett at Carenzas første svar var at det måtte være feil. Teamet var spøkefullt bekymret for at en fagfellebedømmer kunne tro at de hadde jukset. "Det var virkelig så vakkert," sa Carenza.

Observasjonene svarer på et "langvarig spørsmål om hvilken type ordre som er tilstede i vev," sa Joshua Shaevitz, en fysiker ved Princeton University som anmeldte avisen (og ikke trodde de hadde jukset). Vitenskapen "blir ofte grumsete," sa han, når data peker på tilsynelatende motstridende sannheter - i dette tilfellet de nestede symmetriene. «Så noen påpeker eller viser at, vel, disse tingene er ikke så distinkte. De har begge rett."

Form, kraft og funksjon

Å nøyaktig definere en flytende krystalls symmetri er ikke bare en matematisk øvelse. Avhengig av symmetrien, ser en krystalls spenningstensor - en matrise som fanger opp hvordan et materiale deformeres under stress - annerledes ut. Denne tensoren er den matematiske koblingen til væskedynamikkligningene Giomi ønsket å bruke for å koble fysiske krefter og biologiske funksjoner.

Å bringe fysikken til flytende krystaller til å påvirke vev er en ny måte å forstå biologiens rotete, kompliserte verden, sa Hirst.

De nøyaktige implikasjonene av overdragelsen fra heksatisk til nematisk orden er ennå ikke klar, men teamet mistenker at celler kan utøve en viss grad av kontroll over denne overgangen. Det er til og med bevis at fremveksten av nematisk orden har noe med celleadhesjon å gjøre, sa de. Å finne ut hvordan og hvorfor vev manifesterer disse to sammenflettede symmetriene er et prosjekt for fremtiden - selv om Giomi allerede jobber med å bruke resultatene for å forstå hvordan kreftceller flyter gjennom kroppen når de metastaserer. Og Shaevitz bemerket at et vevs flerskala flytende krystallinitet kan være relatert til embryogenese - prosessen der embryoer former seg til organismer.

Hvis det er en sentral idé innen vevsbiofysikk, sa Giomi, er det at struktur gir opphav til krefter, og krefter gir opphav til funksjoner. Med andre ord kan kontroll av multiskalasymmetri være en del av hvordan vev summerer seg til mer enn summen av cellene deres.

Det er "en trekant av form, kraft og funksjon," sa Giomi. "Celler bruker formen sin til å regulere krefter, og disse fungerer i sin tur som motoren for mekanisk funksjonalitet."

Quanta gjennomfører en serie undersøkelser for å tjene publikum bedre. Ta vår fysikk leserundersøkelse og du vil bli registrert for å vinne gratis Quanta handelsvarer.