Моделирование совместного движения клеток может вдохновить на создание самовосстанавливающихся материалов

Команда физика Игоря Аронсона из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США опубликовала в журнале Scientific Reports (Nature) статью, в которой смоделировано совместное движение клеток. Это может помочь учёным в разработке новых технологий, вдохновлённых природой, например, самовосстанавливающихся материалов для аккумуляторов и других устройств.

Аронсона давно интересует, как движутся очень маленькие объекты — принципы, управляющие их движением, особенно в группах, могут сильно отличаться от принципов на макроуровне. Яркий природный пример такого движения происходит прямо сейчас в вашем теле: миграция клеток.

Клетки часто мигрируют массово (например, к месту раны для восстановления кожи), но динамика этого процесса до конца не изучена.

Аронсон и его коллеги создали модель из примерно 100 клеток и исследовали, как клетки спонтанно начинают мигрировать в результате столкновений друг с другом. При столкновениях клетки начинали двигаться с одинаковой скоростью и формировали согласованные движущиеся «стаи».

Команда изучала, как движение меняется в зависимости от:

• силы сцепления клеток друг с другом (адгезия),
• скорости их движения,
• жёсткости самих клеток и окружающей ткани.

Каждая комбинация параметров меняла поведение клеток:

• Высокая адгезия: клетки формировали большие движущиеся пласты, напоминающие живые ткани.
• Умеренная адгезия: образовывались меньшие кластеры, которые постоянно распадались и формировались вновь, что ограничивало коллективное движение.
• Низкая адгезия: требовалось много столкновений, чтобы клетки начали двигаться вместе, подобно косяку рыб.

«Это также указывает на способы, которыми клетки могут решать сложные задачи навигации, ощущая, насколько жёстким и липким является субстрат, по которому они движутся», — сказал Аронсон.

«Эти подходы могут подсказать, как нам проектировать самовосстанавливающиеся материалы», — отметил он. Например, частицы можно спроектировать с определённой жёсткостью и адгезией, чтобы они быстро двигались или формировали группы разного размера. Также частицы можно направлять к цели, нанося на поверхности адгезивные узоры.

Исследование «Collisions of deformable cells lead to collective migration» поддержано Управлением науки Министерства энергетики США, Управлением фундаментальных энергетических наук, Отделом материаловедения, а также Немецким научно-исследовательским обществом. Соавторами работы являются Фалько Циберт из Университета Фрайбурга и Якоб Лёбер из Берлинского технического университета (Германия).