Физики разработали модель для изучения формирования паттернов тканей в эмбриональном развитии

Команда учёных, включая М. Лизу Мэннинг, доцента физики в Сиракузском университете, разработала модель для изучения того, как ткань организуется в органы и слои во время эмбрионального развития.

Их выводы, опубликованные 25 сентября в журнале Interface (Royal Society Publishing, 2013), могут иметь большое значение для изучения формирования и деформации тканевых паттернов.

Ключевым вопросом было, ведёт ли себя эмбриональная ткань больше как твёрдое тело или жидкость — и почему.

«Мы обнаружили, что эмбриональная ткань является вязкоупругой. Это значит, что она ведёт себя как жидкость, если воздействовать на неё медленно, но как твёрдое тело, если воздействовать быстро», — говорит Мэннинг. «Смесь кукурузного крахмала и воды ведёт себя так же».

Команда обнаружила, что вязкоупругость является результатом «стеклоподобной динамики» клеток, вызванной их переуплотнением. Клетки в эмбриональной ткани упакованы так плотно, что редко двигаются, а когда двигаются — тратят значительную энергию, чтобы протиснуться мимо соседей.

Мэннинг сравнивает это поведение с поездкой в метро: «Если поезд не очень заполнен, легко подойти к выходу. Но чем больше людей заходит, тем дольше нужно пробираться. А если вагон забит битком, можно и вовсе пропустить свою остановку, потому что вы не можете сдвинуться с места».

Используя современные методы визуализации и анализа изображений, учёные увидели, что каждая клетка окружена «клеткой соседей». Созданная ими простая модель активной материи позволила воспроизвести данные и делать прогнозы о том, как определённые изменения и мутации влияют на эмбриональное развитие.

«Это захватывающе, потому что если клетки замедляются или производят больше липких молекул, ткань может превратиться в твёрдое тело», — говорит Мэннинг. Такие изменения могут запускать деформации или врождённые заболевания. «Наши результаты создают основу для понимания этих изменений».

Работа Мэннинг основана на идеях покойного учёного из Принстона Малкольма Стейнберга, который более 50 лет назад предположил, что разные типы эмбриональной ткани ведут себя как несмешивающиеся жидкости (например, масло и вода). «Это жидкообразное поведение помогает ткани разделяться на слои и формировать структуры, включая органы».