När embryon växer från befruktning till födsel, förökar cellerna sig snabbt och rör sig på ett mycket organiserat sätt för att skapa skelettet, organ och andra viktiga system. Men hur vet cellerna att de rör sig i exakt rätt riktning vid rätt tidpunkt för att skapa en färdigformad, komplex levande organism? Detta är en djupt utmanande fråga för forskare.

För att hjälpa till att avslöja svaret har University of California San Diego biträdande professor i fysik Mattia Serra och kollegor vid Politecnico di Milano (Italien) utvecklat en ny metod som kan manipulera rörelsen av embryonala celler med hjälp av korttidsattraktorer – ett koncept som Serra hade tidigare utvecklad och antagen för att hjälpa sök- och räddningsoperationer till sjöss.

Deras arbete visas i Physical Review Letters .

Korttidsattraktorer är strukturer som påverkar ett systems dynamik och rörelse under en begränsad tid, men som inte bestämmer långsiktiga beteenden. Genom att modulera den rumsliga fördelningen av myosin – den molekylära motorn som driver cellrörelser – kunde forskarna kontrollera placeringen av dessa attraktionselement och styra cellackumulering till riktade områden av embryot.

Medan myosin driver cellrörelser i embryot, finns det också yttre krafter, eller störningar, som också trycker och drar mot embryot. Dessa störningar påtvingas snarare än kontrolleras av embryot.

Det här är en delikat dans. Embryot måste fördela myosin optimalt så att cellerna rör sig mot de attraherande faktorerna som är nödvändiga för utveckling samtidigt som de kämpar med de påtvingade störningarna.

Med hjälp av teori och simuleringar kunde forskarna utforma en optimal kontrollstrategi för att skapa och styra korttidsattraktorer i flöden som liknar dem som finns vid embryoutveckling.

För att bekräfta sin teori manipulerade medarbetare i Weijer-gruppen vid University of Dundee (Skottland) myosinfördelningen av ett kycklingembryo. Normalt utvecklar embryot en korttidsattraktor som en linje - det är här som huvudkroppens axel bildas. Serras förutsägelser föreslog att de med en speciell fördelning av myosin kunde göra en ringformad korttidsatttraktor. Weijer-gruppen kunde implementera den föreslagna myosinfördelningen i ett levande embryo, och den utvecklade en cirkulär attraherande snarare än en linjär.

Denna nya metod för att kontrollera cellflöden kan användas vid konstruktion av syntetiska organ och organoider och kan hjälpa till i tillämpningar för regenerativ medicin.

"Multicellulära flöden är komplexa och kan vara överväldigande att studera. Attraktionskrafter och repellers komprimerar denna komplexitet till dess väsentliga enheter som kan kontrolleras och användas för att reda ut de underliggande principerna som driver flercelliga flöden," sade Serra.

Mer information: Carlo Sinigaglia et al, Optimal Control of Short-Time Attractors in Active Nematics, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.218302. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2305.00193

Journalinformation: Fysiska granskningsbrev , arXiv

Tillhandahålls av University of California - San Diego