Hur aktiv materia, såsom sammansättningar av bakterie- eller epitelceller, lyckas expandera till trånga utrymmen beror till stor del på deras tillväxtdynamik, som LMU -fysiker visar i en nyligen publicerad studie.

Biologiska former av aktivt material, såsom bakteriella biofilmer eller ark av epitelceller, finns ofta i begränsade mikroutrymmen. Att räkna ut hur sådana system koloniserar sin miljö och utökar sitt intervall genom att invadera nya territorier kommer att öka vår förståelse för många av de normala funktionerna och sjukdomstillstånden som observeras i högre organismer. I samarbete med Dr Amin Doostmohammadi (University of Oxford), LMU -fysikerna Felix Kempf och professor Erwin Frey har nu med hjälp av datasimuleringar visat att cellkollektiver uppvisar en mängd olika motilitetsmönster när de närmar sig och passerar genom lokala förträngningar. Författarna till den nya studien visar vidare att det antagna mönstret beror på graden av aktiv motilitet som utvecklas i framkanten av aggregatet. Resultaten visas i journalen Mjuk materia .

Flera tidigare publikationer hade föreslagit att de biologiska materiens kollektiva rörelser påverkas av terrängen i vilken sådana system befinner sig. Särskilt, in vitro-experiment utförda med epitel- och bakterieceller, och med blandningar bestående av isolerade intracellulära biofilament och molekylära motorer, har avslöjat att rumsliga gränser har en betydande inverkan på rörlighet. "Än så länge, denna typ av forskning har främst koncentrerat sig på interaktionerna mellan formen på det hinder som används och den rörliga aktiviteten hos de berörda partiklarna, "säger Kempf, huvudförfattare till det nya papperet. Dock, i de flesta av dessa system, antalet partiklar förblir inte konstant. Under naturliga förhållanden, epitel- eller bakterieceller delar sig med jämna mellanrum och, när de är begränsade i kapillärrör, de bildar en framåtgående invasionsfront. Därför, för att förstå hur dessa mönster formas och utvecklas, det är nödvändigt att ta hänsyn till tillväxtdynamiken för dessa system. Kempf och kollegor använde datasimuleringar för att utforska effekterna av denna faktor.

De observerade tre fundamentalt olika infallssätt, som kan särskiljas på grundval av den växande systemets övergripande aktivitet och invasionsfrontens beteende när det närmar sig förträngningen. Om den rörliga aktiviteten är låg, invasionsfronten behåller sin släta och skarpt definierade kontur när den går framåt med konstant hastighet. Vid högre aktivitetsnivåer, framkanten tar en oregelbunden kontur. Till sist, när aktivitetsnivån överskrider en viss tröskel, små kluster av celler lossnar från den framåtgående fronten, som sedan kan masa sig igenom det smala gapet. Simuleringarna gjorde det också möjligt för forskarna att karakterisera processerna som driver de övergångar som observeras när invasionsfronten utvecklas, och att kvantifiera deras inverkan på den hastighet med vilken cellerna avancerade till det allt mer begränsade utrymmet. "Dessa fynd ger ett betydande bidrag till vår förståelse av aktiva ämnen, och har flera konsekvenser som kan testas i framtida experiment, "säger Kempf.