Клеточные «поезда»: компьютерное моделирование объясняет движение клеток
Группа клеток может двигаться вперед линией, подобно поезду по рельсам. Новый подход исследователей, включая Институт науки и технологий Австрии (ISTA), показывает, как они это делают и как взаимодействуют друг с другом. Экспериментальные наблюдения и математическая модель опубликованы в Nature Physics.
Хотя большинство клеток тела неподвижны, некоторые, например, участвующие в заживлении ран, могут перемещаться — поодиночке или группами. Междисциплинарная команда теоретических физиков из ISTA и экспериментаторов из Университета Монса в Бельгии получила новые данные о том, как клетки взаимодействуют и коллективно перемещаются в сложной среде.
Ученые изучали поведение небольшой группы клеток в четко определенных in vitro условиях (в чашке Петри с заданной геометрией), что аналогично исследованию малой социальной группы для понимания общих принципов. На основе наблюдений они разработали набор правил взаимодействия.
Клетки путешествуют «поездами»
Эксперименты с клетками рыбьей чешуи (кератоцитами) показали, что клетки сначала соединяются через адгезивные молекулы на поверхности («держатся за руки»). Затем связь разрывается, и клетки собираются в небольшие группы, двигаясь вперед, как поезда по «микрополосам» — одномерным дорожкам, нанесенным на субстрат.
«Длина "поезда" всегда разная. Иногда две клетки, иногда десять. Это зависит от начальных условий», — объясняет Дэвид Брюкнер из ISTA.
У клеток есть «руль»
Направление движения клетки определяет ее полярность — внутренний градиент, действующий как «руль». Клетки передают информацию о своей полярности соседям, что позволяет им двигаться согласованно. Как именно это происходит, оставалось загадкой.
Брюкнер и Эдуар Ханнезо из ISTA создали математическую модель, объединяющую полярность клеток, их взаимодействия и геометрию окружающей среды, а затем перенесли ее в компьютерные симуляции.
- Скорость «поездов»: Симуляции показали, что скорость движения «поезда» не зависит от его длины (будь то две или десять клеток). Все клетки в «поезде» поляризованы в одном направлении, выровнены и синхронизированы, двигаясь вперед как полноприводный автомобиль, а не на переднем приводе.
- Эффект кластеров: При увеличении ширины дорожек в симуляциях кластеры (скопления) клеток двигались гораздо медленнее, чем клетки в одну линию. Причина в столкновениях: чем больше клеток в кластере, тем чаще они сталкиваются, что заставляет их поляризоваться в противоположных направлениях и нарушает общий поток. Это явление также наблюдалось в in vitro экспериментах.
Тупик? Не проблема для кластеров
Хотя движение кластерами менее эффективно по скорости, модель предсказала его преимущество в сложной местности. Эксперименты и симуляции с тупиком подтвердили это.
«"Поезда" клеток быстро достигают тупика, но с трудом меняют направление. Их полярность хорошо выровнена, и им очень сложно "договориться" о развороте», — говорит Брюкнер. — «В то время как в кластере довольно много клеток уже поляризовано в другом направлении, что делает смену направления гораздо легче».
«Поезда» или кластеры?
В природе наблюдаются оба сценария. Некоторые процессы развития зависят от перемещения кластеров клеток, другие — от небольших «поездов».
«Наша модель применима не к одному процессу. Это широко применимая концепция, показывающая, что помещение клеток в среду с геометрическими ограничениями очень информативно, так как бросает им вызов и позволяет расшифровать их взаимодействия», — добавляет Ханнезо.
Маленький «поезд» с большой информацией
Новая модель обеспечивает физическую основу для взаимодействий между клетками, что может помочь понять общую картину. Поведение, выявленное на примере небольших клеточных «поездов», способствует пониманию крупномасштабных движений, например, в целых тканях.