นักชีวฟิสิกส์ค้นพบความสมมาตรอันทรงพลังในเนื้อเยื่อที่มีชีวิต นิตยสารควอนต้า

ลูก้า จิโอมิ ยังจำสมัยที่เขาดูวิดีโอหยดสองรายการจากเครื่องพิมพ์อิงค์เจ็ตในฐานะนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาได้ วิดีโอเกือบจะเหมือนกัน — ยกเว้นวิดีโอหนึ่งที่ไม่ใช่วิดีโอเลย มันเป็นการจำลอง

“ฉันทึ่งมาก” จิโอมิ นักชีวฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยไลเดน กล่าว “คุณสามารถทำนายทุกอย่างเกี่ยวกับหยดหมึกได้”

การจำลองนี้ขับเคลื่อนโดยกฎทางคณิตศาสตร์ของพลศาสตร์ของไหล ซึ่งอธิบายว่าก๊าซและของเหลวมีพฤติกรรมอย่างไร และตอนนี้ หลายปีหลังจากชื่นชมหยดหมึกเหล่านั้น Giomi ยังคงสงสัยว่าเขาจะบรรลุความแม่นยำระดับนั้นสำหรับระบบที่ซับซ้อนกว่าหยดหมึกเล็กน้อยได้อย่างไร

“ความฝันของผมคือการใช้พลังในการทำนายมากขนาดนี้ในการให้บริการด้านชีวฟิสิกส์” เขากล่าว

Giomi และเพื่อนร่วมงานของเขาเพิ่งก้าวไปสู่เป้าหมายนั้นที่สำคัญ ใน เรียน ตีพิมพ์ใน ฟิสิกส์ธรรมชาติพวกเขาสรุปว่าแผ่นเนื้อเยื่อบุผิวซึ่งประกอบเป็นผิวหนังและหุ้มอวัยวะภายในทำหน้าที่เหมือนผลึกเหลว ซึ่งเป็นวัสดุที่จัดเรียงเหมือนของแข็ง แต่ไหลเหมือนของเหลว ทีมงานได้แสดงให้เห็นว่ามีความสมมาตรที่แตกต่างกันสองแบบอยู่ร่วมกันในเนื้อเยื่อเยื่อบุผิว ความสมมาตรที่แตกต่างกันเหล่านี้ ซึ่งเป็นตัวกำหนดว่าผลึกเหลวตอบสนองต่อแรงทางกายภาพอย่างไร จะปรากฏในระดับที่แตกต่างกัน

ข้อมูลเชิงลึกของทีมอาจทำให้ง่ายต่อการใช้ความแม่นยำของการจำลองไดนามิกของของไหลกับเนื้อเยื่อที่มีชีวิต หากเป็นเช่นนั้น Giomi หวังที่จะคาดการณ์ว่าเนื้อเยื่อของมนุษย์เคลื่อนไหวและทำให้เสียรูปอย่างไรในระหว่างกระบวนการต่างๆ ตั้งแต่การรักษาบาดแผลไปจนถึงการแพร่กระจายของมะเร็ง

“มันเป็นกระดาษที่ดี” กล่าว ลินดา เฮิร์สต์เป็นนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เมอร์เซด ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับงานนี้ “พวกเขากำลังอธิบายความสมมาตรของแผ่นเซลล์อย่างละเอียดมากกว่าที่เคยมีมา”

การไหลและสมมาตร

ผลึกเหลวไหลเหมือนของเหลว แต่ยังคงมีระดับของลำดับผลึก ซึ่งเป็นความสมมาตรหรือทิศทางโดยธรรมชาติที่คล้ายกับลายไม้เล็กน้อย และเช่นเดียวกับแผ่นไม้ที่แข็งแรงที่สุดตามลายไม้ การตอบสนองต่อสิ่งเร้าของผลึกเหลวก็ขึ้นอยู่กับความสมมาตรและการวางแนวของมัน ทิศทางนี้เรียกว่าแอนไอโซโทรปี ถือเป็นเวทย์มนตร์ทางแสงที่อยู่เบื้องหลังจอแสดงผลคริสตัลเหลวสมัยใหม่ ซึ่งจะหักเหแสงแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับการวางแนว

แม้ว่าเราอาจคุ้นเคยกับผลึกเหลวในหน้าจอทีวีมากกว่า แต่ก็พบได้ทั่วไปในชีววิทยาของเซลล์ ซึ่งพบภายในเซลล์และในเยื่อหุ้มเซลล์ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้พยายามแสดงให้เห็นว่าเนื้อเยื่อซึ่งเป็นกลุ่มของเซลล์ที่ทำงานร่วมกัน สามารถถือเป็นผลึกเหลวได้เช่นกัน หากสามารถอธิบายเนื้อเยื่อได้อย่างถูกต้องว่าเป็นผลึกเหลว ชุดเครื่องมือที่นักฟิสิกส์ใช้ในการทำนายว่าคริสตัลตอบสนองต่อแรงอย่างไรสามารถนำไปใช้งานในชีววิทยาได้ Hirst กล่าว

อย่างไรก็ตาม ความพยายามเหล่านี้กระทบต่ออุปสรรคทางเรขาคณิต นักทดลองและนักทฤษฎีไม่เห็นด้วยกับความสมมาตรของเนื้อเยื่อ ซึ่งเป็นคุณลักษณะที่สำคัญที่สุดของผลึกเหลว และเป็นกุญแจสำคัญในการทำนายพฤติกรรมของมันโดยใช้พลศาสตร์ของไหล ในการจำลองเซลล์กลุ่มเล็กๆ นักทฤษฎีสามารถอธิบายเนื้อเยื่อว่าเป็นผลึกเหลวที่มีความสมมาตร “hexatic” หกเท่า คล้ายกับการเรียงต่อกันของรูปหกเหลี่ยม แต่ในการทดลอง เนื้อเยื่อกลับทำตัวเหมือนของเหลวที่ทำจากอนุภาครูปแท่งซึ่งมีสมมาตรแบบ "nematic" สองเท่า — เหมือนกับสิ่งที่คุณเห็นหากคุณเทไม้จิ้มฟันหนึ่งกระบอกลงในท่อแล้วเฝ้าดูพวกมันไหล

“ มีความขัดแย้ง: การทดลองพูดว่า nematic; การทดลองเชิงตัวเลขและแบบจำลองโดยทั่วไปบอกว่าเป็นเลขหก” กล่าว ลิวิโอ คาเรนซานักฟิสิกส์เชิงคำนวณจากมหาวิทยาลัย Koç ในอิสตันบูล “สองสิ่งนี้พูดจากันได้อย่างไร”

การจำลองเบื้องต้นโดย Carenza ซึ่งเป็นอดีตนักวิจัยในกลุ่มของ Giomi แนะนำว่าความขัดแย้งสามารถแก้ไขได้หากมีทั้งความสมมาตร XNUMX เท่าและ XNUMX เท่าพร้อมกันในเนื้อเยื่อ แนวคิดก็คือว่า หากคุณขยายเนื้อเยื่อที่มีสมมาตรแบบเนเมติกส์ คุณจะพบสมมาตรแบบหกเหลี่ยมที่มีขนาดเล็กกว่า

“แต่คุณไม่สามารถตรวจสอบทฤษฎีด้วยทฤษฎีได้” จิโอมิกล่าว “ดังนั้นเราจึงทำการทดลอง”

เพื่อทำเช่นนั้น Giomi จึงคัดเลือก จูเลีย เอคเคิร์ตจากนั้นเป็นนักศึกษาปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยไลเดน เพื่อรวบรวมข้อมูลจากการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อที่มีชีวิต

“ฉันดึงพวกมันไปที่กล้องจุลทรรศน์และแสดงให้พวกเขาเห็นเซลล์จริง ไม่ใช่แค่เซลล์ที่พวกเขามองเห็นในวรรณกรรม” เอคเคิร์ต ซึ่งปัจจุบันเป็นนักชีวฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยควีนส์แลนด์กล่าว “ฉันพูดว่า 'คุณเคยเห็นเซลล์ในชีวิตจริงไหม' และมันก็เหมือนกับว่า 'ไม่' เลขที่? ตกลงให้เป็นไป!"

คำสั่งซื้อของไหลใหม่

เอคเคิร์ตเริ่มต้นจากการปลูกเนื้อเยื่อบุผิวชั้นบางๆ ในห้องแล็บ จากนั้นเธอก็ทำเครื่องหมายขอบเขตของแต่ละเซลล์อย่างระมัดระวังด้วยกล้องจุลทรรศน์ ตอนนี้จิโอมิและทีมของเขาเริ่มทำงานได้แล้ว พวกเขาต้องการดูว่าความสมมาตรของเนื้อเยื่อแตกต่างกันระหว่างเกล็ดเล็กๆ หรือไม่ เมื่อพิจารณาเพียงไม่กี่เซลล์และเพื่อนบ้าน และซูมออกในเกล็ดที่ใหญ่กว่า

แต่เพื่อที่จะคลี่คลายความสมมาตรที่ซ้อนกันในแผ่นเซลล์ของเอคเคิร์ต ทีมงานจำเป็นต้องมีวิธีที่เชื่อถือได้ในการแยกแยะลำดับแบบ nematic และ hexatic ในข้อมูลทางชีววิทยาที่ยุ่งเหยิง

นักชีวฟิสิกส์ของไลเดนคิดค้นวัตถุทางคณิตศาสตร์ที่เรียกว่าเทนเซอร์รูปร่างเพื่อจับข้อมูลเกี่ยวกับรูปร่างและทิศทางของเซลล์ ด้วยการใช้มัน เอคเคิร์ตวัดความสมมาตรในเนื้อเยื่อในระดับต่างๆ ขั้นแรกให้ปฏิบัติต่อเซลล์แต่ละเซลล์เป็นหน่วยพื้นฐานของคริสตัล จากนั้นจึงทำแบบเดียวกันกับกลุ่มของเซลล์

ในเกล็ดเล็กๆ พวกเขาพบว่าเนื้อเยื่อมีความสมมาตรในการหมุนหกเท่า และดูคล้ายกับการปูกระเบื้องเป็นรูปหกเหลี่ยมเรียบๆ แต่เมื่อพวกเขาตรวจสอบกลุ่มที่มีขนาดใหญ่กว่าประมาณ 10 เซลล์ ก็เกิดความสมมาตรในการหมุนสองเท่า ผลการทดลองสอดคล้องกับการจำลองของ Carenza เป็นอย่างดี

“มันน่าทึ่งมากที่ข้อมูลการทดลองและการจำลองเชิงตัวเลขเข้ากันได้ดีเพียงใด” Eckert กล่าว มันเข้ากันอย่างใกล้ชิดจนคำตอบแรกของ Carenza คือมันต้องผิดแน่ๆ ทีมงานกังวลอย่างติดตลกว่าผู้ตรวจสอบอาจคิดว่าตนโกง “มันสวยงามจริงๆ” คาเรนซากล่าว

ข้อสังเกตดังกล่าวตอบ “คำถามที่มีมานานเกี่ยวกับประเภทของลำดับที่อยู่ในเนื้อเยื่อ” กล่าว โจชัว เชวิทซ์นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตันผู้ตรวจสอบบทความนี้ (และไม่คิดว่าจะโกง) วิทยาศาสตร์มักจะ "มืดมน" เขากล่าว เมื่อข้อมูลชี้ไปที่ความจริงที่ดูเหมือนจะขัดแย้งกัน ในกรณีนี้คือสมมาตรที่ซ้อนกัน “แล้วมีคนชี้ให้เห็นหรือแสดงให้เห็นว่า สิ่งเหล่านั้นไม่ได้แตกต่างกันมากนัก พวกเขาทั้งคู่พูดถูก”

รูปแบบ แรง และฟังก์ชัน

การกำหนดความสมมาตรของผลึกเหลวอย่างแม่นยำไม่ได้เป็นเพียงแบบฝึกหัดทางคณิตศาสตร์เท่านั้น เทนเซอร์ความเค้นของคริสตัล ซึ่งเป็นเมทริกซ์ที่จับภาพการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของวัสดุภายใต้ความเค้นนั้น ดูแตกต่างออกไป ขึ้นอยู่กับความสมมาตรของมัน เทนเซอร์นี้เป็นตัวเชื่อมโยงทางคณิตศาสตร์กับสมการพลศาสตร์ของไหลที่จิโอมิต้องการใช้เชื่อมโยงแรงทางกายภาพและฟังก์ชันทางชีววิทยา

การนำฟิสิกส์ของผลึกเหลวมาใช้กับเนื้อเยื่อเป็นวิธีใหม่ในการทำความเข้าใจโลกชีววิทยาที่ยุ่งเหยิงและซับซ้อน Hirst กล่าว

ผลกระทบที่แม่นยำของแฮนด์ออฟจากลำดับ hexatic ไปเป็น nematic ยังไม่ชัดเจน แต่ทีมงานสงสัยว่าเซลล์อาจใช้การควบคุมการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวในระดับหนึ่ง มีแม้กระทั่ง หลักฐาน พวกเขากล่าวว่าการเกิดขึ้นของลำดับ nematic เกี่ยวข้องกับการยึดเกาะของเซลล์ การหาวิธีและทำไมเนื้อเยื่อจึงแสดงให้เห็นความสมมาตรที่สอดประสานกันทั้งสองนี้เป็นโครงการสำหรับอนาคต แม้ว่า Giomi กำลังทำงานในการใช้ผลลัพธ์เพื่อทำความเข้าใจว่าเซลล์มะเร็งไหลผ่านร่างกายอย่างไรเมื่อพวกมันแพร่กระจายไป และ Shaevitz ตั้งข้อสังเกตว่าความเป็นผลึกของเหลวหลายระดับของเนื้อเยื่ออาจเกี่ยวข้องกับการเกิดเอ็มบริโอ ซึ่งเป็นกระบวนการที่เอ็มบริโอปั้นตัวเองเป็นสิ่งมีชีวิต

หากมีแนวคิดหลักประการหนึ่งเกี่ยวกับชีวฟิสิกส์ของเนื้อเยื่อ Giomi กล่าวว่า โครงสร้างนั้นก่อให้เกิดแรง และแรงก่อให้เกิดการทำงาน กล่าวอีกนัยหนึ่ง การควบคุมสมมาตรหลายระดับอาจเป็นส่วนหนึ่งของการที่เนื้อเยื่อรวมกันเป็นมากกว่าผลรวมของเซลล์

มี “สามเหลี่ยมของรูปแบบ แรง และฟังก์ชัน” จิโอมิกล่าว “เซลล์ใช้รูปร่างเพื่อควบคุมแรง และสิ่งเหล่านี้ก็ทำหน้าที่เป็นกลไกการทำงานของกลไก”

ควอนตั้ม กำลังดำเนินการสำรวจชุดต่างๆ เพื่อให้บริการผู้ชมของเราได้ดียิ่งขึ้น เอาของเรา แบบสำรวจผู้อ่านฟิสิกส์ และคุณจะถูกป้อนเพื่อรับรางวัลฟรี ควอนตั้ม สินค้า.