Komórki klaustrofobiczne spowalniają swój własny wzrost, tworząc piękne wzory koncentrycznych okręgów

Podobnie jak wiele organizmów na planecie, kiedy komórki doświadczają stłoczenia na poziomie mosh-pitu, mogą po prostu popaść w stres. Jednak w przeciwieństwie do większości innych form życia, komórki narażone na stres fizyczny wynikający z zatłoczenia przez sąsiadów mogą znaleźć pewną ulgę, drastycznie spowalniając swój własny wzrost, tworząc w ten sposób przyciągający wzrok wzór koncentrycznych okręgów, co jest spektakularną konsekwencją.

Proces ten, odkryty poprzez symulacje i modelowanie dzielących się kolonii bakteryjnych, opisano w nowym artykule badanie opublikowany w Listy z przeglądu fizycznego. Odkrycia mogą zasugerować nowe sposoby spowolnienia wzrostu szkodliwych mikroorganizmów w infekcjach 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 te koncentryczne kręgi, a każdy pierścień pokazuje, jak bardzo zostały stłumione przez sąsiadów, co ostatecznie wpływa na to, jak duże mogą urosnąć. To solidny wzór wywodzący się z bardzo prostej reguły i jest to coś, czego nie naprawdę myślano już wcześniej 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, która odczuwa niewielki stres lub nie odczuwa go wcale. Następnie dzieli się, a te komórki dzielą się, a komórki bliżej środka są coraz bardziej zestresowane, ponieważ wywierany jest na nie większy nacisk, co powoduje ich spowolnienie. wzrostu” – mówi Weady. „I tak, gdy zbliżasz się do krawędzi koła, otrzymujesz pasma niejednorodnej wrażliwości na stres, które manifestują się jako koncentryczne okręgi”.

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, dzięki czemu można ją przedstawić jako materiał ciągły. Pomaga nam to lepiej zbadać 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.

Opanowanie wzrostu komórek

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 ten 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 model ten jest użytecznym narzędziem dla osób, które chcą przyjrzeć się zakłóceniom w sposobie reagowania komórek, czy to poprzez stres, dostęp do składników odżywczych czy coś innego” – mówi Weady. „Bardzo jasne jest, jak zadawać te pytania w przypadku takiego modelu, dlatego uważam to za ekscytujące, jeśli chodzi o to, co umożliwi szerzej”.