После выявления перекрывающихся симметрий в клетках млекопитающих, ученые описывают некоторые ткани как жидкие кристаллы. Это заложило основу для теории флюидодинамики движения тканей.
#биофизика #живаяткань #жидкиекристаллы #гидродинамика #симметрия #тканевыекультуры #биология #физика #симуляции #метастазы
Лука Джиоми до сих пор помнит время, когда, будучи молодым аспирантом, он смотрел два видео капель, вытекающих из струйного принтера. Видео были практически идентичными — за исключением того, что одно из них на самом деле было симуляцией.
"Я был абсолютно потрясен", — сказал Джиоми, биофизик из Лейденского университета. "Ты мог предсказать все о каплях чернил".
Симуляция была основана на математических законах гидродинамики, которые описывают поведение газов и жидкостей. И сейчас, спустя годы после восхищения этими каплями чернил, Джиоми все еще задается вопросом, как достичь такой точности для систем, которые немного сложнее, чем капли чернил.
"Моя мечта — это действительно использовать эту предсказательную силу в области биофизики", — сказал он.
Джиоми и его коллеги только что сделали важный шаг к достижению этой цели. В исследовании, опубликованном в журнале Nature Physics, они пришли к выводу, что листы эпителиальной ткани, которые составляют кожу и оболочки внутренних органов, действуют подобно жидкокристаллическим материалам — веществам, упорядоченным как твердые тела, но текучим как жидкости. Для установления этой связи команда продемонстрировала, что в эпителиальной ткани существуют две различные симметрии, которые определяют, как жидкокристаллы реагируют на физические силы, и эти симметрии просто появляются на разных масштабах.
Полученное командой понимание может упростить применение точности гидродинамических симуляций к живым тканям. Если это так, то Джиоми надеется предсказать, как двигаются и деформируются человеческие ткани в процессах, начиная от заживления ран до метастазов рака.
"Это замечательная статья", - сказала Линда Херст, физик из Университета Калифорнии в Мерседе, не участвовавшая в работе. "Они очень подробно описывают симметрию клеточных пластинок, больше, чем это делалось раньше."
Поток и Симметрия
Жидкие кристаллы текут подобно жидкостям, но все же обладают степенью кристаллического порядка - своего рода врожденной симметрией или направленностью, похожей на структуру дерева. И так же, как древесная доска наиболее прочна вдоль своей структуры, ответ жидкого кристалла на различные воздействия зависит от его симметрии и ориентации. Эта направленность, называемая анизотропией, является оптическим чудом современных жидкокристаллических дисплеев, которые преломляют свет по-разному в зависимости от своей ориентации.
Хотя мы, возможно, более знакомы с жидкими кристаллами в телевизионных экранах, они также распространены в клеточной биологии, найдены внутри клеток и в клеточных мембранах. За последние несколько лет исследователи пытались показать, что ткани - организованные группы клеток, действующие вместе, также могут рассматриваться как жидкие кристаллы. Если ткань можно точно описать как жидкий кристалл, то набор инструментов, которыми физики пользуются для предсказания реакции кристаллов на воздействие сил, можно было бы применить в биологии, - сказала Херст.
Однако эти усилия столкнулись с геометрическим препятствием. Экспериментаторы и теоретики не могли согласовать симметрию ткани - наиболее определяющую характеристику жидкого кристалла и ключ к предсказанию ее поведения с использованием флюидодинамики. В симуляциях небольших групп клеток теоретики могли описывать ткани как жидкие кристаллы с шестивалентной "гексатической" симметрией, похожей на плитки из шестиугольников. Но в экспериментах ткани вместо этого вели себя как жидкости, состоящие из брусковидных частиц с двухвалентной "нематической" симметрией - что-то вроде того, что вы увидите, если вы выльете бочку зубочисток в трубу и наблюдаете за их потоком.
"Было противоречие: эксперимент говорит о нематической симметрии; численные эксперименты и модели в целом говорят о гексатической", - сказал Ливио Каренца, вычислительный физик из Кочского университета в Стамбуле. "Как эти два факта связаны между собой?"
Первоначальные симуляции, проведенные Карензой - бывшим исследователем в группе Джиоми, показали, что разногласия могут быть разрешены, если оба типа симметрии, шестигранная и двухгранная, существуют одновременно в тканях. Идея заключалась в том, что если вы увеличите масштаб и рассмотрите ткань с нематической симметрией, вы обнаружите симметрию на меньшей шкале - гексатическую симметрию.
"Но вы не можете проверить теорию с помощью теории", - сказал Джиоми. - "Поэтому мы провели эксперименты".
Для этого Гиоми нанял Джулию Эккерт, тогда еще аспирантку Лейденского университета, чтобы собрать данные из живых тканевых культур.
"Я поставила их перед микроскопом и показала им настоящие клетки, а не только те, которые они видят в литературе", - сказала Эккерт, которая сейчас является биофизиком в Университете Квинсленда. "Я говорю: 'Вы когда-нибудь видели клетки, знаете, в реальной жизни?' И было вот так: 'Нет?' Нет? Ладно, пойдем!"
Новый жидкий порядок
Эккерт начала выращивать тонкие слои эпителиальной ткани в лаборатории. Затем она тщательно отмечала границы каждой отдельной клетки на изображениях микроскопа. Теперь Гиоми и его команда могли приступить к работе. Они хотели увидеть, отличается ли симметрия ткани на малых масштабах - когда они рассматривали только несколько клеток и их соседей, и на больших масштабах.
Но чтобы разобраться во вложенных симметриях в листьях клеток Эккерт, команде понадобился надежный способ различать нематический и гексатический порядки в беспорядочных биологических данных.
Биофизики из Лейдена разработали математический объект, называемый тензором формы, чтобы учесть информацию о форме и направлении клеток. Используя его, Эккерт измеряла симметрии в тканях на разных масштабах, сначала рассматривая отдельные клетки как основные единицы кристалла, а затем делая то же самое для групп клеток.
На малых масштабах они обнаружили, что ткань имеет шестикратную поворотную симметрию и выглядит немного как мозаика из сплющенных шестиугольников. Но когда они рассмотрели группы, состоящие из более 10 клеток, появилась двукратная поворотная симметрия. Экспериментальные результаты отлично соответствовали симуляциям Карензы.
«Было поразительно, насколько хорошо совпадали экспериментальные данные и численное моделирование», — сказал Эккерт. Фактически, они совпадали настолько близко, что первая реакция Каренцы была, будто бы они ошиблись. Команда шутила, беспокоясь о том, что рецензент мог подумать, будто они обманывали. «Это действительно было так прекрасно», — сказала Каренца.
Наблюдения дают ответ на «давнее вопрос о типе упорядоченности в тканях», — сказал Джошуа Шевиц, физик из Принстонского университета, который рецензировал статью (и не думал, что они обманывали). Наука часто «становится смутной», он сказал, когда данные указывают на кажущиеся противоречивые истины — в данном случае, на вложенные симметрии. «Тогда кто-то указывает на то, или показывает, что, ну, эти вещи не такие разные. Оба правы».
Форма, Сила и Функция
Точное определение симметрии жидкого кристалла — это не только математическое упражнение. В зависимости от его симметрии тензор напряжений кристалла — матрица, которая отражает, как материал деформируется под воздействием напряжения — выглядит иначе. Этот тензор является математической связью с уравнениями динамики жидкости, которые Джиоми хотел использовать для связи физических сил и биологических функций.
Применение физики жидких кристаллов к тканям — новый способ понять беспорядочный и сложный мир биологии, сказал Хёрст.
Точные последствия перехода от гексатического к нематическому порядку пока не ясны, но команда предполагает, что клетки могут оказывать определенный контроль над этим переходом. И даже есть доказательства, что возникновение нематического порядка имеет отношение к клеточной адгезии, они сказали. Понять, как и почему ткани проявляют эти две переплетенные симметрии, это проект на будущее — хотя Джиоми уже работает над использованием результатов для понимания того, как раковые клетки перемещаются через организм при метастазировании. И Шевиц отметил, что мультишкальная жидкокристалличность ткани может быть связана с эмбриогенезом — процессом, при котором эмбрионы формируются в организмы.
Если есть одна центральная идея в биофизике тканей, сказал Джиоми, то это то, что структура порождает силы, а силы порождают функции. Другими словами, контроль над мультишкальной симметрией может быть частью того, как ткани образуют нечто большее, чем сумма их клеток.
Есть «треугольник формы, силы и функции», сказал Джиоми. «Клетки используют свою форму для регулирования сил, и эти силы, в свою очередь, служат двигателем механической функциональности».
Подписывайся: https://t.me/trivsin