Конкурентное преимущество через быстрое удаление мёртвой материи в ограниченных клеточных агрегатах

Биологические организмы и ткани демонстрируют постоянный оборот клеточного материала, например, для поддержания целостности ткани, в случае роста опухоли или для выживания бактериальных сообществ. Интуитивно кажется, что типы клеток, которые способны быстрее всего размножаться или реже умирать в данной среде, будут доминировать в ограниченном пространстве организма или компартмента. «Однако эти традиционные факторы перестают быть единственными, определяющими конкурентную приспособленность, если также учитывать остатки, оставленные умирающими клетками», — говорит Рамин Голестанян, управляющий директор MPI-DS. В своём исследовании учёные из отдела физики живой материи показали, что типы клеток, которые быстрее удаляются после смерти, получают преимущество, которое может сделать их доминирующим видом.

Учёные создали модель для имитации растущих клеток, заполняющих ограниченное пространство до тех пор, пока не нарастёт механическое давление и они не достигнут состояния, в котором деление и гибель клеток уравновешивают друг друга. «Мы хотели выяснить, какое влияние мёртвая материя оказывает на рост живой системы. Для этого мы разработали простую модель, которая является одной из первых, явно учитывающих механические эффекты мёртвых клеток», — говорит Йоав Поллак, первый автор исследования.

«Затем мы проанализировали два типа клеток, различающихся исключительно скоростью удаления мёртвой материи, и отследили долю обеих популяций во времени. К нашему удивлению, мы наблюдали явное влияние на общую приспособленность, приводящее к преимуществу для типа клеток, чьи мёртвые клетки удаляются быстрее», — объясняет он.

Освобождение места для новых клеток

На первый взгляд, удаление мёртвого материала может казаться не связанным с образованием новых клеток — или даже контрпродуктивным, поскольку оно открывает пространство для вторжения других видов. Но модель показывает, что за счёт более быстрой очистки от остатков увеличивается количество живых клеток по сравнению с мёртвыми. В целом это приводит к более быстрому росту, когда у вида появляются возможности для расширения. Хотя это не имеет большого значения в однородной популяции клеток одного типа, это играет роль на границе, где разные типы клеток конкурируют за пространство. Популяция с более высокой скоростью очистки с большей вероятностью будет иметь живую клетку поблизости, готовую заполнить освободившееся пространство путём пролиферации. Таким образом, более высокая доля живых клеток даёт конкурентное преимущество.

«Упрощённо можно сказать, что очистка и занятие нового пространства более выгодны, чем удержание уже занятого пространства», — говорит руководитель группы Филип Биттин. «В некоторых случаях этот новый вклад в конкуренцию также может объяснить, почему биологические ткани и организмы эволюционировали, чтобы использовать специфические механизмы удаления клеток — более эффективные по сравнению с альтернативами».

Поскольку этот эффект описан впервые, он открывает несколько новых направлений для исследований, например, анализ степени его вклада в общую приспособленность по сравнению с другими факторами. Тем не менее, модель демонстрирует, что уборка за собой действительно окупается для клеток.

Исследование опубликовано в New Journal of Physics.