Клетки в тесноте замедляют собственный рост, образуя красивые узоры из концентрических кругов
Подобно многим организмам на планете, клетки, испытывающие экстремальную скученность, могут подвергаться стрессу. Однако, в отличие от большинства других форм жизни, клетки, подверженные механическому стрессу от соседей, могут найти облегчение, резко замедляя собственный рост. В результате этого формируется впечатляющий узор из концентрических кругов.
Этот процесс, открытый с помощью моделирования делящихся бактериальных колоний, описан в новом исследовании, опубликованном в Physical Review Letters. По словам ведущего автора работы Скотта Уиди, научного сотрудника Центра вычислительной биологии Института Флатирон в Нью-Йорке, результаты могут указать новые способы замедления роста вредных микроорганизмов при инфекциях или в производстве.
«Я определенно был удивлен, увидев, что клетки при таком механическом стрессе могут таким образом смягчать рост. Интересно, что они образуют эти концентрические круги, где каждое кольцо показывает, насколько они были подавлены соседями, что в итоге влияет на их максимальный размер. Это устойчивый паттерн, возникающий из очень простого правила, и это то, о чем раньше никто не думал измерить», — говорит Уиди.
Погружение в делящиеся клетки
Группа Уиди занимается биофизическим моделированием — тем, как правила на микроуровне управляют поведением на макроуровне. В данном случае команда хотела исследовать пролиферацию клеток — процесс их деления.
Исследование началось с изучения симуляций растущих бактериальных колоний. Обычно процесс пролиферации экспоненциальный: клетка делится пополам, её потомки тоже делятся, и рост продолжается с увеличивающейся скоростью. Однако в симуляциях команда заметила, что клетки делились не так, как ожидалось — их скорость пролиферации значительно замедлялась по мере увеличения скученности среды.
«Вы начинаете с одной клетки, которая почти не испытывает стресса. Затем она делится, эти клетки делятся, и клетки ближе к центру испытывают всё больше стресса из-за давления со всех сторон, что заставляет их замедлять рост. Таким образом, по мере движения к краю круга вы получаете полосы неоднородной чувствительности к стрессу, которые проявляются как концентрические круги», — объясняет Уиди.
Первоначальная работа основана на частичных симуляциях, иллюстрирующих процесс пролиферации относительно небольшого числа клеток. На основе этих данных команда разработала континуальную модель, которая оценивает, как процесс может работать в чрезвычайно большом количестве клеток.
«В частичных симуляциях вы смотрите на что-то дискретное — в данном случае на бактерии, которые вы отслеживаете во времени. Но континуальная модель работает иначе, предполагая, что количество частиц очень велико, так что его можно представить как непрерывный материал. Это помогает нам лучше исследовать процесс в большем масштабе и понять, насколько он устойчив», — говорит Уиди.
Важно, что команда обнаружила, что их континуальная модель хорошо согласуется с тем, что они наблюдали в частичных симуляциях. Это подтвердило догадку: клетки, загнанные в угол, замедляют собственный рост, создавая при этом поразительный узор.
Контроль над ростом клеток
Изучение пролиферации клеток важно, потому что это фундаментальный процесс, а также потому, что когда делящиеся клетки вредны (например, при бактериальной инфекции), они могут вызывать негативные последствия.
«Важно выяснить, как процесс регулируется естественным образом, а также как им управлять. Наша модель определяет факторы окружающей среды, которые могут усилить реакцию клетки на механический стресс, и стимулирование этих факторов может замедлить экспоненциальный рост», — говорит Уиди.
Модель, разработанная в этом исследовании, также может послужить основой для изучения других клеточных поведенческих реакций.
«Я думаю, эта модель — полезный инструмент для тех, кто хочет изучить изменения в реакции клеток, будь то из-за стресса, доступа к питательным веществам или чего-то ещё. С такой моделью очень понятно, как задавать эти вопросы, и это открывает широкие возможности», — заключает Уиди.