Математика «изрезанности» клеточных границ
Исследователи раскрыли как математический, так и биологический механизм, лежащий в основе изрезанных структур на границах клеток в тканях, таких как почки и носовые железы. Команда надеется, что их новые данные помогут разработать новые методы лечения связанных патологий и создать лучшие биологические модели для будущих исследований.
Одной из таких структур между клетками является «изрезанный» или «волнистый» паттерн, часто встречающийся между эпителиальными клетками — типом клеток, покрывающих кожу и большинство других органов и кровеносных сосудов. Под микроскопом эти паттерны могут выглядеть довольно беспорядочно.
«Это почти похоже на сцепляющиеся зубцы молнии. Исследователи также описывают эти структуры как взаимопроникающие клеточные границы», — объясняет профессор Такаси Миура из Университета Кюсю, руководивший исследованием, опубликованным в iScience. «Многие клетки имеют взаимопроникающие границы. Например, почечные подоциты, которые работают как фильтры для образования мочи, имеют очень сложные паттерны взаимопроникновения».
Одна из критических функций эпителиальных клеток — облегчение транспорта молекул и жидкости между этими клеточными границами, процесс, известный как параклеточный транспорт. Однако то, как именно формируются эти структуры и их физиологическое значение, до конца не изучено.
«Мы начали с изучения взаимопроникновения в клетках MDCK, типе эпителиальных клеток, изначально из почек, часто используемых для изучения формирования эпителиальных паттернов», — заявляет Миура. «Мы обнаружили нечто неожиданное, когда математически разложили паттерн границы клетка-клетка. Оказывается, эти кажущиеся случайными структуры вовсе не случайны и, по сути, являются масштабируемыми. Другими словами, паттерн обладает самоподобием — если вы увеличите границу, она сохранит те же характеристики, что и исходный паттерн».
Затем команда изучила известные математические модели, чтобы понять, как и почему паттерны взаимопроникновения имеют такую отличительную форму. После ряда рабочих гипотез они остановились на модели, называемой моделью Эдвардса-Уилкинсона.
«Модель Эдвардса-Уилкинсона используется для математического моделирования случайно колеблющейся границы с функцией минимизации длины этой границы. Масштабирование клеточных границ, которое мы обнаружили, соответствует этой модели», — продолжает Миура. «После этого нашим следующим шагом было найти молекулярный механизм, ответственный за эту динамику».
Команда сосредоточилась на роли актомиозина — белкового комплекса актин-миозин, ответственного почти за все, что требует силы в клеточной активности. При детальном наблюдении они идентифицировали специфические белки миозина, которые локализуются на изгибающейся клеточной границе.
Миура объясняет, что их новые данные дают лучшее понимание основ клеточной динамики и способствуют общей тенденции развития математических основ биологии.
«Математика всегда была неразрывно связана с областями химии и физики. Математический анализ фундаментальных процессов в биологии — это всё ещё относительно новая область, которая значительно выросла за последние 20 лет», — заключает он. «Я думаю, это показывает, что область биологии созревает. По мере развития этой области она даст нам новые перспективы в понимании основ жизни и красоты биологических паттернов».