Biofizycy odkrywają potężne symetrie w żywej tkance | Magazyn Quanta

Luca Giomi wciąż pamięta czas, kiedy jako młody student obejrzał dwa filmy przedstawiające kropelki wypływające z drukarki atramentowej. Filmy były praktycznie identyczne – z tą różnicą, że jeden w ogóle nie był filmem. To była symulacja.

„Byłem całkowicie oszołomiony” – powiedział Giomi, biofizyk z Uniwersytetu w Lejdzie. „Można było przewidzieć wszystko na temat kropelek atramentu”.

Symulacja opierała się na matematycznych prawach dynamiki płynów, które opisują zachowanie gazów i cieczy. A teraz, wiele lat po podziwianiu tych kropelek atramentu, Giomi wciąż zastanawia się, w jaki sposób mógłby osiągnąć taki poziom precyzji w systemach nieco bardziej skomplikowanych niż kropelki atramentu.

„Moim marzeniem jest naprawdę wykorzystanie tak dużej mocy predykcyjnej w służbie biofizyki” – powiedział.

Giomi i jego koledzy właśnie zrobili ważny krok w kierunku tego celu. W badanie opublikowane w Fizyka przyrodydoszli do wniosku, że warstwy tkanki nabłonkowej, z których składa się skóra i osłona narządów wewnętrznych, zachowują się jak ciekłe kryształy — materiały uporządkowane jak ciała stałe, ale płynące jak ciecze. Aby nawiązać to połączenie, zespół wykazał, że w tkance nabłonkowej współistnieją dwie różne symetrie. Te różne symetrie, które określają, jak ciekłe kryształy reagują na siły fizyczne, po prostu pojawiają się w różnych skalach.

Spostrzeżenie zespołu może ułatwić zastosowanie precyzji symulacji dynamiki płynów w żywych tkankach. Jeśli tak, Giomi ma nadzieję przewidzieć, w jaki sposób tkanki ludzkie poruszają się i deformują podczas procesów, od gojenia ran po przerzuty raka.

„To wspaniały dokument” – powiedział Lindy Hirst, fizyk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Merced, który nie był zaangażowany w prace. „Naprawdę opisują symetrię arkuszy komórek bardziej szczegółowo niż miało to miejsce wcześniej”.

Przepływ i symetria

Ciekłe kryształy przepływają jak płyny, ale nadal mają pewien stopień krystalicznego porządku – rodzaj wrodzonej symetrii lub kierunkowości, która przypomina trochę słoje drewna. I tak jak drewniana deska jest najmocniejsza wzdłuż włókien, tak reakcja ciekłego kryształu na bodźce zależy od jego symetrii i orientacji. Ta kierunkowość, zwana anizotropią, to magia optyczna nowoczesnych wyświetlaczy ciekłokrystalicznych, które w różny sposób załamują światło w zależności od ich orientacji.

Chociaż być może jesteśmy bardziej zaznajomieni z ciekłymi kryształami na ekranach telewizorów, są one również powszechne w biologii komórki, występując wewnątrz komórek i w błonach komórkowych. W ciągu ostatnich kilku lat badacze próbowali wykazać, że tkanki – zorganizowane grupy komórek, które działają razem – również można uznać za ciekłe kryształy. Gdyby tkankę można było dokładnie opisać jako ciekły kryształ, wówczas zestaw narzędzi wykorzystywanych przez fizyków do przewidywania reakcji kryształów na siły mógłby zostać zastosowany w biologii, powiedział Hirst.

Jednak wysiłki te natrafiły na geometryczną przeszkodę. Eksperymentaliści i teoretycy nie mogli dojść do porozumienia co do symetrii tkanki — najbardziej charakterystycznej cechy ciekłego kryształu i klucza do przewidywania jego zachowania za pomocą dynamiki płynów. W symulacjach małych grup komórek teoretycy mogliby opisać tkanki jako ciekłe kryształy o sześciokrotnej symetrii „heksatycznej”, przypominającej trochę sześciokąty. Jednak w eksperymentach tkanki zamiast tego zachowywały się jak płyny składające się z cząstek w kształcie pręta o podwójnej „nematycznej” symetrii – trochę jak to, co można zobaczyć, jeśli wleje się beczkę wykałaczek do tuby i obserwuje, jak wypływają.

„Była sprzeczność: eksperyment mówi nematyczny; eksperymenty numeryczne i modele ogólnie mówią, że są heksatyczne” – powiedział Livio Carenza, fizyk obliczeniowy na Uniwersytecie Koç w Stambule. „Jak te dwie rzeczy ze sobą rozmawiają?”

Wstępne symulacje przeprowadzone przez Carenzę – byłego badacza w grupie Giomi – sugerowały, że spór mógłby zostać rozwiązany, gdyby obie symetrie, sześciokrotna i podwójna, istniały jednocześnie w tkankach. Pomysł polegał na tym, że jeśli powiększysz tkankę o symetrii nematycznej, znajdziesz symetrię szesnastkową w mniejszej skali.

„Ale nie można weryfikować teorii teorią” – powiedział Giomi. „Więc przeprowadziliśmy eksperymenty”.

W tym celu zrekrutowano Giomi Julia Ekert, wówczas doktorant na Uniwersytecie w Lejdzie, w celu zebrania danych z kultur żywych tkanek.

„Wyciągnąłem je pod mikroskop i pokazałem prawdziwe komórki, a nie tylko te, które można zobaczyć w literaturze” – powiedział Eckert, obecnie biofizyk na Uniwersytecie w Queensland. „Pytam: «Czy widziałeś kiedyś komórki w prawdziwym życiu?». A brzmiało: „Nie”. NIE? Dobra chodźmy!"

Nowy płynny porządek

Eckert rozpoczął od wyhodowania w laboratorium cienkich warstw tkanki nabłonkowej. Następnie dokładnie zaznaczyła granice każdej pojedynczej komórki na obrazach mikroskopowych. Teraz Giomi i jego zespół mogli zabrać się do pracy. Chcieli sprawdzić, czy symetria tkanki różni się w małych skalach – gdy rozważano tylko kilka komórek i ich sąsiadów – oraz w pomniejszonych, większych skalach.

Aby jednak rozwikłać zagnieżdżone symetrie w arkuszach komórek Eckerta, zespół potrzebował niezawodnego sposobu na rozróżnienie porządków nematycznych i heksatycznych w nieuporządkowanych danych biologicznych.

Biofizycy z Leiden opracowali obiekt matematyczny zwany tensorem kształtu, który umożliwia przechwytywanie informacji o kształtach i kierunkach komórek. Za jego pomocą Eckert zmierzył symetrie tkanek w różnych skalach, najpierw traktując poszczególne komórki jako podstawowe jednostki kryształu, a następnie robiąc to samo dla grup komórek.

W małych skalach odkryli, że tkanka ma sześciokrotną symetrię obrotową i wygląda trochę jak mozaika z rozdrobnionych sześciokątów. Kiedy jednak zbadali grupy większe niż około 10 komórek, pojawiła się podwójna symetria obrotowa. Wyniki eksperymentów zgadzały się z symulacjami Carenzy.

„To było niesamowite, jak dobrze dane eksperymentalne i symulacje numeryczne pasowały do ​​siebie” – powiedział Eckert. W rzeczywistości pasowało to tak ściśle, że pierwszą odpowiedzią Carenzy było stwierdzenie, że to musi być błędne. Zespół żartobliwie martwił się, że recenzent może pomyśleć, że oszukali. „To było naprawdę takie piękne” – powiedziała Carenza.

Obserwacje odpowiadają na „od dawna zadawane pytanie o rodzaj porządku panującego w tkankach” – stwierdził Joshua Shaevitz, fizyk z Uniwersytetu Princeton, który recenzował tę pracę (i nie uważał, że oszukali). Nauka często „staje się niejasna” – stwierdził, gdy dane wskazują na pozornie sprzeczne prawdy – w tym przypadku na zagnieżdżone symetrie. „Następnie ktoś wskazuje lub pokazuje, że cóż, te rzeczy nie są aż tak wyraźne. Oboje mają rację.”

Forma, siła i funkcja

Dokładne zdefiniowanie symetrii ciekłego kryształu to nie tylko ćwiczenie matematyczne. W zależności od symetrii tensor naprężenia kryształu – matryca rejestrująca odkształcenie materiału pod wpływem naprężenia – wygląda inaczej. Tensor ten jest matematycznym powiązaniem z równaniami dynamiki płynów, których Giomi chciał użyć do połączenia sił fizycznych i funkcji biologicznych.

Hirst powiedział, że wykorzystanie fizyki ciekłych kryształów w tkankach to nowy sposób na zrozumienie chaotycznego, skomplikowanego świata biologii.

Dokładne implikacje przejścia z porządku heksatycznego na nematyczny nie są jeszcze jasne, ale zespół podejrzewa, że ​​komórki mogą sprawować pewną kontrolę nad tym przejściem. Jest nawet dowód stwierdzili, że pojawienie się porządku nematycznego ma coś wspólnego z adhezją komórek. Ustalenie, w jaki sposób i dlaczego tkanki wykazują te dwie przeplatające się symetrie, to projekt na przyszłość — chociaż Giomi już pracuje nad wykorzystaniem wyników do zrozumienia, w jaki sposób komórki nowotworowe przepływają przez organizm, gdy dają przerzuty. Shaevitz zauważył, że wieloskalowa ciekłokrystaliczność tkanki może być powiązana z embriogenezą – procesem, w którym zarodki przekształcają się w organizmy.

Giomi powiedział, że jeśli istnieje jedna główna idea w biofizyce tkanek, to jest nią teoria, że ​​struktura rodzi siły, a siły powodują funkcje. Innymi słowy, kontrolowanie symetrii wieloskalowej może być częścią tego, jak tkanki sumują się, a nie tylko suma ich komórek.

Istnieje „trójkąt formy, siły i funkcji” – powiedział Giomi. „Komórki wykorzystują swój kształt do regulowania sił, a te z kolei służą jako działający silnik mechanicznej funkcjonalności.”

Quanta przeprowadza serię ankiet, aby lepiej służyć naszym odbiorcom. Weź nasze ankieta dla czytelników fizyki i zostaniesz wpisany, aby wygrać za darmo Quanta towar.