Hoe actief materie, zoals assemblages van bacteriële of epitheelcellen, erin slaagt uit te breiden naar nauwe ruimtes, hangt grotendeels af van hun groeidynamiek, zoals LMU-natuurkundigen aantonen in een nieuw gepubliceerde studie.

Biologische vormen van actieve materie, zoals bacteriële biofilms of vellen epitheelcellen, worden vaak aangetroffen in besloten microruimtes. Uitzoeken hoe dergelijke systemen hun omgeving koloniseren en hun bereik uitbreiden door nieuwe gebieden binnen te vallen, zal ons begrip van veel van de normale functies en ziektetoestanden die bij hogere organismen worden waargenomen, vergroten. In samenwerking met Dr. Amin Doostmohammadi (Universiteit van Oxford), LMU-natuurkundigen Felix Kempf en professor Erwin Frey hebben nu met behulp van computersimulaties aangetoond dat celcollectieven een verscheidenheid aan beweeglijkheidspatronen vertonen bij het naderen en passeren van lokale vernauwingen. De auteurs van de nieuwe studie laten verder zien dat het aangenomen patroon afhangt van het niveau van actieve beweeglijkheid dat zich ontwikkelt aan de voorrand van de assemblage. De bevindingen verschijnen in het tijdschrift Zachte materie .

Verschillende eerdere publicaties hadden gesuggereerd dat de collectieve bewegingen van biologische materie worden beïnvloed door de aard van het terrein waarin dergelijke systemen zich bevinden. Vooral, in vitro experimenten uitgevoerd met epitheliale en bacteriële cellen, en met mengsels bestaande uit geïsoleerde intracellulaire biofilamenten en moleculaire motoren, hebben aangetoond dat ruimtelijke grenzen een significante invloed hebben op de beweeglijkheid. "Tot dusver, dit type onderzoek heeft zich voornamelijk geconcentreerd op de interacties tussen de vorm van het gebruikte obstakel en de beweeglijke activiteit van de betrokken deeltjes, " zegt Kempf, de hoofdauteur van het nieuwe artikel. Echter, in de meeste van deze systemen, het aantal deeltjes blijft niet constant. Onder natuurlijke omstandigheden, epitheliale of bacteriële cellen delen met regelmatige tussenpozen en, wanneer opgesloten in capillaire buizen, ze vormen een oprukkend invasiefront. Daarom, om te begrijpen hoe deze patronen zich vormen en evolueren, het is noodzakelijk om rekening te houden met de groeidynamiek van deze systemen. Kempf en collega's gebruikten computersimulaties om de effecten van deze factor te onderzoeken.

Ze observeerden drie fundamenteel verschillende manieren van invasie, die kan worden onderscheiden op basis van de algehele activiteit van het groeisysteem en het gedrag van het invasiefront wanneer het de vernauwing nadert. Als het niveau van beweeglijke activiteit laag is, het invasiefront behoudt zijn vloeiende en scherp gedefinieerde omtrek terwijl het met een constante snelheid voortbeweegt. Bij hogere activiteitsniveaus de voorrand krijgt een onregelmatige omtrek. Eindelijk, zodra het activiteitsniveau een bepaalde drempel overschrijdt, kleine clusters cellen komen los van het oprukkende front, die zich dan een weg door de nauwe opening kunnen wurmen. De simulaties stelden de onderzoekers ook in staat om de processen te karakteriseren die de overgangen aansturen die worden waargenomen naarmate het invasiefront evolueert, en om hun impact te kwantificeren op de snelheid waarmee de cellen de steeds krapper wordende ruimte binnendringen. "Deze bevindingen leveren een belangrijke bijdrage aan ons begrip van actieve materie, en hebben verschillende implicaties die kunnen worden getest in toekomstige experimenten, ’ zegt Kempf.