Badania wykazały, że zatłoczone komórki tworzą koncentryczne okręgi, spowalniając wzrost. Modele zespołu Scotta Weady’ego mogą pomóc w zarządzaniu szkodliwym rozwojem drobnoustrojów.
Podobnie jak wiele innych organizmów, komórki mogą ulec stresowi, gdy zostaną poddane stłoczeniu na poziomie mosh-pitu. Jednakże, w przeciwieństwie do innych form życia, komórki poddane stresowi fizycznemu spowodowanemu stłoczeniem przez sąsiadów mogą znaleźć pewną ulgę, radykalnie spowalniając swój wzrost, tworząc przy tym piękny wzór koncentrycznych okręgów.
Odkrycie to, odkryte poprzez symulacje i modelowanie dzielących się kolonii bakteryjnych, opisano w nowym badaniu opublikowanym w Listy z przeglądu fizycznego. Odkrycia te mogą pomóc w opracowaniu nowych strategii spowalniania wzrostu szkodliwych mikroorganizmów podczas infekcji lub produkcji, mówi główny autor badania Scott Weady, pracownik naukowy w Centrum Biologii Obliczeniowej Instytutu Flatiron w Nowym Jorku.
„Byłem zdecydowanie zaskoczony, widząc, że komórki poddawane tego rodzaju obciążeniom mechanicznym mogą w ten sposób łagodzić wzrost” – mówi Weady. „To interesujące, że tworzą koncentryczne kręgi, a każdy pierścień pokazuje, jak bardzo były tłumione przez sąsiadów, co ostatecznie miało wpływ na to, jak duże mogą urosnąć. To solidny wzór wywodzący się z bardzo prostej reguły i po prostu coś, czego nikt wcześniej nie pomyślał o zmierzeniu.”
Weady jest współautorem badania wraz z innymi badaczami z Flatiron Institute, Bryce’em Palmerem, Adamem Lamsonem, Rezą Farhadifarem i Michaelem Shelleyem, a także Taeyoon Kim z Purdue University.
Głębokie zanurzenie się w dzielące się komórki
Grupa Weady’ego interesuje się modelowaniem biofizycznym — lub, jak to ujął, tym, jak reguły na małą skalę rządzą zachowaniami na dużą skalę. W tym przypadku jego zespół chciał zbadać proliferację komórek, czyli proces, w wyniku którego komórki dzielą się, tworząc więcej swoich kopii.
Grupa rozpoczęła od podejścia eksploracyjnego, sprawdzając symulacje rosnących kolonii bakteryjnych. Na początku przyglądali się bardziej ogólnym miarom, takim jak regulacja wielkości komórek, ale potem zaczęli zauważać pewien wzór.
Zazwyczaj proces proliferacji komórek jest wykładniczy: komórka dzieli się na dwie części, a potomstwo dzieli się na dwie części i tak dalej, aby rosnąć w coraz szybszym tempie. Jednak w swoich symulacjach zespół zauważył, że komórki nie dzieliły się tak, jak można by się spodziewać — w rzeczywistości tempo ich proliferacji znacznie spadło, gdy ich środowisko stało się bardziej zatłoczone.
„Zaczynasz od pojedynczej komórki, w której stres jest niewielki lub żaden. Następnie dzieli się i te komórki się dzielą, a komórki bliżej środka są coraz bardziej zestresowane, ponieważ wywierany jest na nie większy nacisk, co powoduje spowolnienie ich wzrostu” – mówi Weady. „W miarę zbliżania się do krawędzi koła pojawiają się pasma o niejednorodnej wrażliwości na stres, które manifestują się jako koncentryczne okręgi”.
Ilustracja wideo modelu kontinuum pokazuje, jak proces przebiega w ruchu. Źródło: Weady i in. al (2024)
Nowe spostrzeżenia z modelowania komórkowego
Wstępne prace opierają się na symulacjach cząstek, które ilustrują przebieg procesu proliferacji w stosunkowo małej liczbie komórek. Na podstawie tych danych zespół opracował następnie tak zwany model kontinuum, który szacuje, jak proces może przebiegać w niezwykle dużej liczbie komórek.
„Dzięki symulacjom cząstek patrzysz na coś dyskretnego — w tym przypadku na bakterie, które śledzisz w czasie” – mówi Weady. „Ale model kontinuum działa inaczej, zakładając, że liczba cząstek jest bardzo duża, więc można ją przedstawić jako materiał ciągły. Pomaga nam to lepiej zbadać ten proces na większą skalę i zrozumieć, jak solidny jest on.”
Co ekscytujące, zespół odkrył, że ich model kontinuum bardzo dobrze pasuje do tego, co zaobserwowali w symulacjach cząstek, co sugeruje, że ich przeczucie było prawdziwe: komórki cofnięte do kąta spowalniają swój własny wzrost, tworząc przy tym zapierający dech w piersiach wzór.
Potencjalne zastosowania i przyszłe badania
Proliferację komórek warto badać, ponieważ jest to tak fundamentalny proces, ale także dlatego, że gdy proliferujące komórki są szkodliwe (pomyśl: infekcja bakteryjna), mogą powodować szkodliwe skutki.
„Ważne jest, aby dowiedzieć się, w jaki sposób proces jest naturalnie regulowany, a także jak go kontrolować” – mówi Weady. „Nasz model identyfikuje czynniki środowiskowe, które mogą wzmocnić reakcję komórki na stres mechaniczny, a promowanie tych czynników może spowolnić wykładniczy wzrost”.
Model opracowany w tym badaniu może również służyć jako podstawa do badania innych zachowań komórkowych.
„Myślę, że ten model jest użytecznym narzędziem dla osób, które chcą przyjrzeć się zakłóceniom w sposobie reagowania komórek, czy to poprzez stres, dostęp do składników odżywczych, czy z innego powodu” – mówi Weady. „Bardzo jasne jest, jak zadawać te pytania w przypadku takiego modelu, dlatego uważam, że jest to ekscytujące, jeśli chodzi o to, co umożliwi szerzej”.
Odniesienie: „Mechanics and Morphology of Proliferating Cell Collectives with Self-Inhibiting Growth” autor: Scott Weady, Bryce Palmer, Adam Lamson, Taeyoon Kim, Reza Farhadifar i Michael J. Shelley, 10 października 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.158402
