Использование принципов физики, чтобы понять, как клетки самосортируются в процессе развития

Эрин Маккарти ’23 года, физика с отличием, – редкость среди молодых ученых. Будучи научным сотрудником факультета физики Колледжа искусств и наук Сиракузского университета, она руководила исследованием, которое появился в марте 2024 года в Письма о физических отзывах. Это наиболее цитируемый журнал по физике и восьмой по цитируемости научный журнал в целом.

Маккарти и его коллеги-постдокторанты Радж Кумар Манна и Оджан Дамаванди разработали модель, которая выявила неожиданное коллективное поведение среди вычислительных частиц, имеющее последствия для будущих фундаментальных медицинских исследований и биоинженерии.

«Очень трудно получить документ в Письма о физических отзывах«Ваши коллеги-ученые должны оценить это как исключительное».

Маккарти, уроженка Нью-Джерси, выбрала Сиракьюс из-за его «огромной энергии», сказала она. «Образовательная и исследовательская сторона вещей была потрясающей. Я планировал стать специалистом по физике, который проходил предварительную подготовку. Я любил физику и биологию и хотел заниматься здравоохранением и медициной. И мне повезло, что я встретил Доктор Мэннинг была первокурсницей, и она познакомила меня с вычислительной биофизикой. Я начал заниматься исследованиями еще на первом курсе, что крайне необычно».

«Эрин училась программированию с нуля, а затем часами проводила симуляции, что требовало большой настойчивости», — сказал Мэннинг. «То, что эта статья появилась в таком престижном журнале, является просто фантастическим свидетельством ее трудовой этики и таланта».

Исследовательская группа использовала компьютерное физическое моделирование, чтобы выяснить основные механизмы, которые заставляют частицы спонтанно сортироваться по различным группам.

Изучение того, как ведут себя частицы в физических моделях, может дать представление о том, как живут биологические частицы— клетки, белки и ферменты — смешиваются в процессе развития.

Например, на ранних стадиях развития эмбриона клетки зарождаются в гетерогенных смесях. Клетки должны самосортироваться по разным отсекам, чтобы сформировать отдельные гомогенные ткани. Это одно из основных коллективных действий клеток, действующих во время развития тканей и органов и регенерации органов.

«Клетки должны иметь возможность правильно организовываться, изолируя себя для выполнения своей работы», — сказал Маккарти. «Мы хотели понять, если отбросить химию и посмотреть строго на физику, каковы механизмы, с помощью которых эта реорганизация может произойти спонтанно?»

Предыдущие физические исследования показали, что частицы разделяются, когда некоторые из них получают толчок более высокой температуры. Когда одна популяция частиц получает энергию в небольшом масштабе, она становится активной (или «горячей»), в то время как другая популяция остается неактивной, или «холодной». Эта разница в температуре вызывает реорганизацию между двумя популяциями. Эти модели представляют собой упрощенные версии биологических систем, использующие температуру для приближения клеточной энергии и движения.

«Горячие частицы отталкивают холодные частицы, чтобы они могли занять большее пространство», — сказал соавтор Манна. «Но это происходит только тогда, когда между частицами существует зазор».

Предыдущее моделирование выявило поведение самосортирующихся частиц при менее упакованных промежуточных плотностях.

Но команда Сиракьюс обнаружила нечто удивительное. После ввода энергии в популяцию частиц высокой плотности горячие частицы не отталкивали холодные. Горячим частицам не хватило места для этого.

Это важно, поскольку биологические частицы — белки в клетках и клетки в тканях — обычно живут в тесных, переполненных пространствах.

«Например, ваша кожа представляет собой очень плотную среду», — сказал Маккарти. «Клетки упакованы так плотно друг к другу, что между ними нет пространства. Если мы хотим применить эти физика результаты в биологии, мы должны учитывать высокие плотности, чтобы наши модели были применимы. Но при очень высокой плотности разница в активности между двумя популяциями не приводит к их сортировке».

В биологии должен действовать какой-то другой механизм самосортировки. «Температура или активное введение энергии не всегда разделяют вещи, поэтому их нельзя использовать в биологии», — сказал Мэннинг. «Вы должны искать какой-то другой механизм».

По мнению Мэннинга, это исследование иллюстрирует сильные стороны Сиракузского университета. «Тот факт, что это исследование возглавил студент, говорит об удивительном качестве студентов, которые у нас есть в Сиракузском университете, которые так же хороши, как и в любой другой точке мира, а также об исключительности самой Эрин», — сказал Мэннинг.

Манна, постдокторант-наставник последней части проекта Маккарти, сыграл важную роль в доведении его до завершения. «Без него исследование не состоялось бы», — сказал Мэннинг. «Это демонстрирует, что мы можем нанимать выдающихся постдокторантов в Сиракузы, потому что мы являемся таким замечательным исследовательским университетом». Сейчас Манна работает научным сотрудником на кафедре физики Северо-Восточного университета.

Маккарти, технолог-исследователь в биологической лаборатории Медицинской школы Северо-Западного университета, планирует подать заявку на поступление в аспирантуру.

«В Сиракузах, — сказал Маккарти, — я понял, как сильно я люблю исследования и хочу, чтобы они стали частью моего будущего».