正如LMU物理學(xué)家最新發(fā)表的一項(xiàng)研究那樣，活性物質(zhì)，如細(xì)菌或上皮細(xì)胞的集合，如何設(shè)法擴(kuò)展到狹窄的空間，很大程度上取決于它們的生長動(dòng)力學(xué)。活性物質(zhì)的生物形式，如細(xì)菌生物膜或上皮細(xì)胞薄片，通常存在于有限的微空間中。

弄清楚這些系統(tǒng)是“如何通過入侵新的領(lǐng)地來殖民周圍環(huán)境”并擴(kuò)展范圍的，這將增強(qiáng)我們對(duì)在高等生物體中觀察到許多正常功能和疾病狀態(tài)的理解。

在與Amin Doostmohammadi博士(牛津大學(xué))的合作下，LMU物理學(xué)家Felix Kempf和Erwin Frey教授現(xiàn)在借助計(jì)算機(jī)模擬證明：細(xì)胞群體在接近和通過局部收縮時(shí)表現(xiàn)出各種運(yùn)動(dòng)模式，所采用的模式取決于在組合前沿發(fā)展的活動(dòng)動(dòng)力水平，這一發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)在表在《軟物質(zhì)》期刊上。以前的幾份出版物曾提出，生物物質(zhì)的集體運(yùn)動(dòng)受到這些系統(tǒng)所處環(huán)境性質(zhì)的影響。特別是，用上皮細(xì)胞和細(xì)菌細(xì)胞以、由分離細(xì)胞內(nèi)生物長絲、分子馬達(dá)組成的混合物進(jìn)行體外實(shí)驗(yàn)表明，空間邊界對(duì)運(yùn)動(dòng)性有顯著的影響。

到目前為止，這種類型研究主要集中在所使用障礙物的形狀和相關(guān)粒子運(yùn)動(dòng)活動(dòng)之間的相互作用上。然而，在大多數(shù)這些系統(tǒng)中，粒子的數(shù)量不恒定。在自然條件下，上皮細(xì)胞或細(xì)菌細(xì)胞以規(guī)則的間隔分裂，當(dāng)被限制在毛細(xì)管中時(shí)，它們形成前進(jìn)的入侵前沿。因此，為了理解這些模式是如何形成和演化的，有必要考慮到這些系統(tǒng)的生長動(dòng)力學(xué)，Kempf和同事使用計(jì)算機(jī)模擬來探索這個(gè)因素的影響。觀察到了三種根本不同的入侵模式，可以根據(jù)生長系統(tǒng)的整體活動(dòng)和入侵前沿在接近收縮時(shí)的行為來區(qū)分這三種模式。

如果活動(dòng)水平較低，則入侵鋒面在以恒定速度前進(jìn)時(shí)保持其平滑和清晰的輪廓。在較高水平的活動(dòng)中，前沿呈現(xiàn)出不規(guī)則的輪廓。最后，一旦活動(dòng)水平超過一定的閾值，小細(xì)胞群就會(huì)從前進(jìn)的前沿分離出來，然后可以通過狹窄的縫隙蠕動(dòng)前進(jìn)。模擬還使研究人員能夠描述隨著入侵鋒面演變而觀察到驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變的過程，并量化它們對(duì)細(xì)胞進(jìn)入越來越有限空間速度的影響。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)活性物質(zhì)的理解做出了重大貢獻(xiàn)，并具有幾個(gè)可以在未來實(shí)驗(yàn)中檢驗(yàn)的含義。

博科園｜研究/來自：慕尼黑路德維希馬克西米利安大學(xué)

參考期刊《軟物質(zhì)》

DOI: 10.1039/C9SM01210A

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