Science >> Wetenschap >  >> Fysica

Fysische principes gebruiken om te begrijpen hoe cellen zichzelf sorteren tijdens hun ontwikkeling

Physical Review Letters te krijgen ", aldus M. Lisa Manning, co-auteur, en William R. Kenan, Jr. hoogleraar natuurkunde en oprichter en directeur van het BioInspired Institute aan de Universiteit van Syracuse. "Uw wetenschappelijke collega's moeten het als uitzonderlijk beoordelen." P>

McCarthy, geboren in New Jersey, koos voor Syracuse vanwege de ‘enorme energie’, zei ze. "De educatieve en de onderzoekskant van de dingen waren geweldig. Ik was van plan een natuurkundestudent te worden die een diploma had behaald. Ik hield van natuurkunde en biologie, en ik wilde betrokken zijn bij de gezondheidszorg en de geneeskunde. En ik had het geluk dat ik elkaar ontmoette Dr. Manning als eerstejaarsstudent, en zij liet mij kennismaken met computationele biofysica. Ik begon tijdens mijn eerste jaar met onderzoek, wat uiterst ongebruikelijk is."

"Erin leerde coderen helemaal opnieuw, en deed vervolgens uren en uren aan simulaties, wat veel doorzettingsvermogen vergde", aldus Manning. "Het is gewoon een fantastisch bewijs van haar werkethiek en genialiteit dat dit artikel in zo'n prestigieus tijdschrift verscheen."

Het onderzoeksteam gebruikte computerfysische modellen om de onderliggende mechanismen te achterhalen die ervoor zorgen dat deeltjes spontaan in verschillende groepen worden ingedeeld.

Leren hoe deeltjes zich gedragen in natuurkundige modellen zou inzicht kunnen verschaffen in hoe levende biologische deeltjes (cellen, eiwitten en enzymen) zichzelf tijdens hun ontwikkeling remixen.

In de vroege stadia van een embryo beginnen cellen bijvoorbeeld in heterogene mengsels. Cellen moeten zichzelf in verschillende compartimenten sorteren om afzonderlijke homogene weefsels te vormen. Dit is een van de belangrijkste collectieve celgedragingen die aan het werk zijn tijdens de ontwikkeling van weefsels en organen en de regeneratie van organen.

"Cellen moeten zichzelf goed kunnen organiseren en zichzelf kunnen scheiden om hun werk te kunnen doen", aldus McCarthy. "We wilden begrijpen, als je de scheikunde weglaat en strikt naar de natuurkunde kijkt, wat zijn dan de mechanismen waarmee deze reorganisatie spontaan kan gebeuren?"

Uit eerder natuurkundig onderzoek is gebleken dat deeltjes uiteenvallen wanneer sommige een schok van hogere temperatuur krijgen. Als een populatie deeltjes op kleine schaal met energie wordt geïnjecteerd, wordt deze actief – of ‘heet’ – terwijl de andere populatie inactief of ‘koud’ blijft. Dit warmteverschil veroorzaakt een reorganisatie tussen de twee populaties. Deze modellen zijn vereenvoudigde versies van biologische systemen, waarbij temperatuur wordt gebruikt om cellulaire energie en beweging te benaderen.

"Hete deeltjes duwen de koude deeltjes opzij, zodat ze een grotere ruimte kunnen innemen", zegt co-auteur Manna. "Maar dat gebeurt alleen als er een opening bestaat tussen de deeltjes."

Eerdere modellen identificeerden het gedrag van zelfsorterende deeltjes bij minder gepakte, tussenliggende dichtheden.

Maar het Syracuse-team ontdekte iets verrassends. Nadat ze energie hadden geïnjecteerd in een populatie deeltjes met een hoge dichtheid, duwden de hete deeltjes de koude deeltjes niet rond. De hete deeltjes hadden daarvoor geen ruimte.

Dat is belangrijk omdat biologische deeltjes – eiwitten in cellen en cellen in weefsel – doorgaans in krappe, drukke ruimtes leven.

"Je huid is bijvoorbeeld een zeer dichte omgeving", zei McCarthy. ‘Cellen zitten zo dicht bij elkaar dat er geen ruimte tussen zit. Als we deze natuurkundige bevindingen op de biologie willen toepassen, moeten we naar hoge dichtheden kijken voordat onze modellen toepasbaar zijn. Maar bij zeer hoge dichtheden neemt het verschil in activiteit tussen twee cellen toe. populaties zorgt er niet voor dat ze sorteren."

Er moet in de biologie een ander zelfsorterend mechanisme spelen. "Temperatuur of actieve injectie van energie scheidt niet altijd dingen, dus je kunt het niet gebruiken in de biologie", zei Manning. "Je moet naar een ander mechanisme zoeken."

Voor Manning illustreert dit onderzoek de sterke punten van de Universiteit van Syracuse. "Het feit dat een student dit onderzoek heeft geleid, spreekt van de ontzagwekkende kwaliteit van de studenten die we hebben aan de Universiteit van Syracuse, die net zo goed zijn als die waar ook ter wereld, en van de uitzonderlijkheid van Erin zelf", aldus Manning.

Manna, de postdoctorale mentor voor het laatste deel van McCarthy's project, was essentieel om het tot een goed einde te brengen. "Zonder hem zou het onderzoek niet zijn gebeurd", zei Manning. "Dit toont aan dat we uitstekende postdoctorale medewerkers voor Syracuse kunnen werven, omdat we zo'n geweldige onderzoeksuniversiteit zijn." Manna is nu postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling natuurkunde van de Northeastern University.

McCarthy, een onderzoekstechnoloog in een biologisch laboratorium aan de Northwestern University School of Medicine, is van plan zich aan te melden voor een graduate school.

"In Syracuse," zei McCarthy, "heb ik geleerd hoeveel ik van onderzoek houd en wil dat dit een deel van mijn toekomst wordt."

Meer informatie: Erin McCarthy et al, Demixen in binaire mengsels met differentiële diffusie bij hoge dichtheid, Fysieke recensiebrieven (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.098301

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Aangeboden door Syracuse Universiteit




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. De eeuwenoude baobabbossen van Madagaskar worden door gemeenschappen hersteld – met een beetje hulp van AI
  2. Thailand verbergt grote aantallen als het gaat om zijn visvangsten in aangrenzende wateren
  3. Het vastleggen van extracellulaire blaasjes:een nieuwe technologie voor het isoleren van ziektemarkers
  4. Genetische studie van onsterfelijke kwallen kan de levensduur helpen verklaren
  5. Ontwikkeling van een zeer nauwkeurig computermodel van het menselijk metabolisme
  6. Waarom stinkt de stinkplant?
  7. Mate van Kevin Bacon-gen biedt mogelijke basis voor centrale spelers in groepsverbondenheid
  8. Drummen bij spechten lijkt neurologisch op zingen bij zangvogels
  9. Het menselijk brein is bedraad voor poëzie

Wetenschap