То, как активной материи, такой как совокупность бактериальных или эпителиальных клеток, удается расширяться в узкие пространства, во многом зависит от динамики их роста, как показывают физики Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) в Мюнхене в недавно опубликованном исследовании.
Биологические формы активного вещества, такие как бактериальные биопленки или пласты эпителиальных клеток, часто встречаются в замкнутых микропространствах. Выяснение того, как такие системы колонизируют окружающую среду и расширяют свой ареал за счет вторжения на новые территории, улучшит наше понимание многих нормальных функций и болезненных состояний, наблюдаемых у высших организмов. В сотрудничестве с доктором Амином Дустмохаммади (Оксфордский университет) физики LMU Феликс Кемпф и профессор Эрвин Фрей продемонстрировали с помощью компьютерного моделирования, что клеточные коллективы проявляют различные модели подвижности, когда они приближаются и проходят через локальные сужения. Авторы нового исследования продолжают показывать, что принятый паттерн зависит от уровня активной подвижности, которая развивается на переднем крае сборки. Результаты опубликованы в журнале Soft Matter.
В нескольких предыдущих публикациях предполагалось, что на коллективные движения биологической материи влияет природа местности, в которой находятся такие системы. В частности, эксперименты in vitro, проведенные с эпителиальными и бактериальными клетками, а также со смесями, состоящими из изолированных внутриклеточных биофиламентов и молекулярных моторов, показали, что пространственные границы оказывают существенное влияние на подвижность. «До сих пор этот тип исследований был сосредоточен в основном на взаимодействии между формой используемого препятствия и подвижной активностью соответствующих частиц», - говорит Кемпф, ведущий автор новой статьи. Однако в большинстве этих систем количество частиц не остается постоянным. В естественных условиях эпителиальные или бактериальные клетки делятся через равные промежутки времени и, заключенные в капиллярах, образуют продвигающийся фронт инвазии. Поэтому, чтобы понять, как эти закономерности формируются и развиваются, необходимо учитывать динамику роста этих систем. Кемпф и его коллеги использовали компьютерное моделирование для изучения влияния этого фактора.
Они наблюдали три принципиально различных режима инвазии, которые можно выделить на основе общей активности растущей системы и поведения фронта инвазии по мере приближения к сужению. При низком уровне двигательной активности фронт вторжения сохраняет ровные и четко очерченные очертания, продвигаясь с постоянной скоростью. На более высоких уровнях активности передний край приобретает неправильные очертания. Наконец, как только уровень активности превышает определенный порог, небольшие скопления клеток отделяются от наступающего фронта, который затем может проникнуть через узкую щель. Моделирование также позволило исследователям охарактеризовать процессы, которые управляют переходами, наблюдаемыми по мере развития фронта вторжения, и количественно оценить их влияние на скорость, с которой клетки продвигаются во все более ограниченное пространство. «Эти результаты вносят значительный вклад в наше понимание активной материи и имеют несколько следствий, которые можно проверить в будущих экспериментах», - говорит Кемпф.