Эмбриональная ткань проходит фазовый переход
Ученые из Института науки и технологий (IST) Австрии, наблюдая за развивающимися эмбрионами рыбок данио, обнаружили резкое и драматичное изменение: в течение всего нескольких минут твердоподобная эмбриональная ткань становится жидкостоподобной. Это исследование, опубликованное в журнале Cell, может изменить взгляд на ключевые процессы в развитии и болезнях, например, метастазировании опухолей.
Изучая эмбрионы данио (Danio rerio), биологи обнаружили внезапное изменение вязкости ткани — меры её сопротивления деформации. На ранней стадии ткани, формирующие эмбрион, очень жесткие, но вязкость внезапно падает в десять раз, и ткань начинает быстро течь — происходит её флюидизация. Это совпадает с началом изменения формы эмбриона и вступлением в фазу морфогенеза.
Малое изменение — большой эффект
Исследователи выяснили, что происходит на клеточном уровне:
- До флюидизации отдельная клетка соединена с 4–5 соседними клетками.
- В момент флюидизации у клетки остается только 3–4 соединения с соседями.
Это небольшое изменение в клеточной связности объяснимо с точки зрения физики. Порог в четыре соединения на клетку является критическим: структуры ниже этого уровня связности не могут оставаться жесткими (принцип, описанный ещё Джеймсом Клерком Максвеллом в XIX веке). Это точно соответствовало экспериментальным наблюдениям. Команда показала, что флюидизация ткани демонстрирует черты фазового перехода — перехода из одного состояния материи в другое.
Критическая точка
Ученые проверили теорию, манипулируя клеточной связностью. Независимо от манипуляций, критическая точка связности была достаточна, чтобы объяснить наблюдаемые резкие изменения вязкости ткани. Они проследили все ожидаемые черты фазовых переходов из физики неживых систем в реальной живой системе, состоящей всего из нескольких сотен компонентов.
Возникает вопрос: как избежать случайного, преждевременного перехода, если потери всего одного соединения на клетку достаточно для такого значительного изменения? Регулятором этого баланса оказалось время клеточных делений, которое определяет, как клеточная связность и, следовательно, вязкость ткани меняются в пространстве и времени.
От эмбрионов рыб к исследованию опухолей
Этот переход важен для дальнейшего развития эмбриона. Однако он также, по-видимому, играет роль в росте рака. Когда опухоль метастазирует, ткань также резко меняется из твердого состояния в жидкое, что может позволить раковым клеткам легче перемещаться. Если можно отследить эту критическую точку, открываются пути для манипулирования ею. Вместо того чтобы фокусироваться на множестве генов, которые могут играть роль в росте рака, можно сосредоточиться на этой критической точке, которая в конечном итоге вызывает переход.
Успех исследования стал возможен благодаря междисциплинарному сотрудничеству биологов и физиков в IST Austria.