In de vroegste levensfase, dieren ondergaan enkele van hun meest spectaculaire fysieke transformaties. Ooit slechts klodders delende cellen, ze beginnen zichzelf te herschikken in hun meer karakteristieke vormen, of ze vissen, vogels of mensen. Begrijpen hoe cellen samenwerken om weefsels te bouwen, is een fundamenteel probleem geweest in de natuurkunde en biologie.

Nutsvoorzieningen, UC Santa Barbara-professor Otger Campàs, die ook de Mellichamp-leerstoel in systeembiologie en bio-engineering bekleedt, en Sangwoo Kim, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van professor Campàs, deze vraag hebben benaderd, met verrassende bevindingen.

"Als je veel cellen fysiek met elkaar in wisselwerking hebt, hoe gedraagt ​​het systeem zich collectief? Wat is de fysieke staat van het ensemble?" zei Campàs.

Inderdaad, hij legde uit, embryonaal celweefsel is een "raar materiaal, " waarbij elke cel chemische energie verbruikt en deze gebruikt om krachten uit te oefenen op zijn buren en hun acties te coördineren. In-vitro-onderzoeken met cellen in synthetische schalen geven slechts een deel van het beeld, hij voegde toe; door cellen in hun natuurlijke omgeving te bestuderen, het levende embryo, ze konden ontdekken hoe cellen hun collectieve toestand beheersen en de faseovergangen die voortkomen uit hun symfonie van duwen en trekken.

In een paper gepubliceerd in Natuurfysica , Campa's, Kim en collega's rapporteren de ontwikkeling van een computationeel raamwerk dat de verschillende interacties tussen cellen vastlegt en verbindt met embryonale weefseldynamiek. In tegenstelling tot eerdere simulaties, dit raamwerk houdt rekening met verschillende belangrijke kenmerken die relevant zijn voor celinteracties, zoals spaties tussen cellen, celvormen en spanningsschommelingen waar de cellen elkaar ontmoeten.

"Om het fysieke gedrag van embryonale weefsels volledig te begrijpen, alle belangrijke aspecten van embryonale weefsels op cellulaire schaal moeten in het model in aanmerking worden genomen, aangezien de eigenschappen van opkomende weefsels voortkomen uit interacties op cellulaire schaal, " zei Kim, de hoofdauteur van de studie. "Er zijn talloze modellen om embryonale weefsels te bestuderen, maar er is geen algemeen kader dat deze sleutelfuncties omvat, belemmeren het holistische begrip van het fysieke gedrag van embryonale weefsels."

Schuddende cellen

Embryonaal weefsel, volgens de onderzoekers gedraagt ​​zich fysiek enigszins als een waterig schuim, een systeem dat bestaat uit afzonderlijke luchtzakken die samengeklonterd zijn in een vloeistof. Denk aan zeepsop of bierschuim.

"In het geval van schuim, de structuur en dynamiek worden bepaald door oppervlaktespanning, "Zei Kim. Analoge krachten worden gevonden waar cellen met elkaar in contact komen in embryonaal weefsel, op zowel de binnenzijden van de celmembranen als tussen cellen.

"Effectieve krachten die werken op cel-naar-cel verbindingen worden bepaald door corticale spanning en cel-tot-cel adhesie, "Kim zei, "zodat de netto kracht bij de cel-naar-cel contacten kan worden gemodelleerd als een effectieve oppervlaktespanning."

Echter, in tegenstelling tot de meer statische krachten tussen cellen in typische schuimen, de krachten tussen cellen in embryonaal weefsel zijn dynamisch.

"Cellen in weefsels wekken geen statische krachten op, maar vertonen eerder dynamisch duwen en trekken in de tijd, " legde Campàs uit. "En we ontdekken dat het eigenlijk deze spanningsschommelingen zijn die het weefsel effectief 'smelten' in een vloeibare toestand." Het is deze vloeibaarheid van het weefsel die cellen in staat stelt de weefsels te reorganiseren en vorm te geven, hij legde uit.

De onderzoekers hebben hun model op de proef gesteld door te meten hoe krachten in de loop van de tijd veranderen bij embryonale zebravissen, een populair modelorganisme voor degenen die de ontwikkeling van gewervelde dieren bestuderen. Op basis van een techniek die is ontwikkeld in het Campàs Lab, waarbij gebruik wordt gemaakt van kleine magnetische druppeltjes die tussen cellen in embryonale zebravissen worden ingebracht, zij konden bevestigen, trouwens de druppel vervormde, de dynamische krachten achter de vloeibare toestand van het weefsel.

Hun bevinding dat spanningsfluctuaties verantwoordelijk zijn voor de vloeibaarheid van weefsel tijdens de ontwikkeling staat in contrast met het algemeen aanvaarde idee dat veranderingen in adhesie tussen cellen de kritische factor is die de vloeibaarheid van het weefsel regelde - als de adhesie tussen cellen een bepaalde hoge drempel bereikte , het weefsel zou vloeibaar worden.

"Maar aangezien celkrachten en spanningen in embryo's fluctueren, het kan zijn dat deze een belangrijke rol speelden bij de fluïdisatie van weefsel, Campàs zei. "Dus toen we de simulaties uitvoerden en de experimenten deden, we realiseerden ons dat het schudden eigenlijk veel belangrijker was voor de fluïdisatie dan de adhesie." De vloeibare toestand van het weefsel is het resultaat van de dynamiek van krachten, in plaats van veranderingen in statische celspanning of adhesie.

De bevindingen van deze studie kunnen implicaties hebben op het gebied van natuurkunde, vooral op het gebied van actieve materie - systemen van vele individuele eenheden die elk energie verbruiken en mechanische krachten toepassen die gezamenlijk opkomend collectief gedrag vertonen. De studie kan ook informatie opleveren voor studies in de biologie, bij onderzoek naar hoe veranderingen in individuele celparameters de globale toestand van het weefsel zouden kunnen beheersen, zoals bij embryonale ontwikkeling of bij tumoren.