Veel cellen in ons lichaam zijn in beweging en lijken op de een of andere manier te 'weten' waar ze heen moeten. Maar hoe leren ze de locatie van hun bestemming? Deze vraag is de sleutel tot het begrijpen van fenomenen zoals de vernieuwing van cellen in ons lichaam, de migratie van kankercellen, en vooral hoe wonden genezen. Edouard Hannezo en zijn groep aan het Instituut voor Wetenschap en Technologie Oostenrijk (IST Oostenrijk) in samenwerking met Tsuyoshi Hirashima en zijn student aan de Universiteit van Kyoto stellen een nieuw model voor informatieoverdracht voor waarin cellen op zelfgeorganiseerde wijze gebruik maken van lange afstandsgolven om een ​​wond te sluiten. Deze studie is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica .

De onderzoekers bouwden een wiskundig model om de interacties binnen een laag cellen op een substraat te beschrijven, vergelijkbaar met een huidlaag. Deze cellen bevatten chemische signaalgevers - eiwitten - waarmee ze andere cellen om hen heen kunnen waarnemen, dus of ze nu worden geduwd of getrokken, en om hun eigen beweging te controleren. Wat de wetenschappers ontdekten, is dat het ingewikkelde samenspel van celbewegingen, beleving van de omgeving, en toestanden van eiwitactivering in de cellen combineren om gekoppelde mechanische en chemische lopende golven te creëren waarin directionele informatie wordt gecodeerd.

Feedbackloops

De mechanische golf verschijnt als dichtere en dunnere gebieden van cellen die in ruimte en tijd afwisselen. De chemische golf verschijnt als eiwitactiviteit en wordt geactiveerd door celbeweging en mechanische feedback. De chemie van de cellen zorgt op zijn beurt voor veranderingen in de vorm van cellen en beweging, waardoor een feedbacklus wordt gesloten met celmechanica. In dit gekoppelde systeem ontstaan ​​deze mechanische en chemische golven spontaan door terugkoppeling en versterking.

In een normale niet-verwonde laag cellen, deze golven planten zich voort zonder een voorkeursrichting, maar wanneer een kunstwond aan één kant wordt ingebracht, golven heroriënteren om zich uitsluitend voort te planten weg van de wond. De onderzoekers veronderstelden dus dat de golven een communicatiemiddel zouden kunnen zijn, cellen heel ver van de wond af te laten - en dus niet direct "te zien" - om te voelen welke kant ze op moeten.

De golven lezen

Een dichtheidsgolf zorgt ervoor dat de buren van een cel erop duwen en trekken in de richting waarin de golf zich voortplant. Aangezien de krachten die op de cel worden uitgeoefend gelijk en tegengesteld zijn tussen de toppen en dalen van elke golf, het resultaat is dat de cel slechts kleine afstanden heen en weer beweegt zonder enige netto beweging. In werkelijkheid, de cel kan niet weten uit welke richting de golf kwam en heeft dus ook geen informatie over de locatie van de wond.

Dit is waar de tweede golf van eiwitactiviteit binnenkomt. Het raakt de cel iets na de dichtheidsgolf vanwege de vertraging die nodig is om eiwitten te activeren. En omdat eiwitactiviteit de snelheid bepaalt waarmee de cellen bewegen, een vertraging tussen de twee golven zorgt ervoor dat cellen snel kunnen bewegen wanneer ze in de richting van de wond worden getrokken, en langzaam bij het wegduwen. Op deze manier, cellen kunnen de symmetrie doorbreken en in de gewenste richting naar de wond gaan bewegen.

Experimenten buiten evenwicht

De onderzoekers van de Universiteit van Kyoto observeerden dit onevenwichtige gedrag van wondgenezing tijdens in vitro experimenten met echte cellen op een substraat. Ze gebruikten een nieuwe microscopietechniek om de eiwitactiviteit in elke cel te meten:het eiwit werd gemodificeerd zodat het oplicht wanneer het wordt geactiveerd, waardoor golven van eiwitactivering zichtbaar worden die zich door de cellaag voortplanten. De onderzoekers waren in staat om de golfpatronen kwantitatief te voorspellen, die ze vervolgens ook experimenteel hebben waargenomen. Meer opvallend, ze ontdekten ook dat de vertraging tussen de twee golven dicht bij het theoretisch voorspelde optimum lag om cellen in staat te stellen maximale informatie uit de golven te halen.

Dit mechanisme van zelforganisatie is opmerkelijk omdat het robuuste en spontane richtingscommunicatie over grote afstanden binnen cellagen mogelijk maakt. Het demonstreert een manier waarop gecoördineerd gedrag in ons lichaam kan ontstaan, waardoor het kan genezen en groeien.