Många celler i våra kroppar är i rörelse och på något sätt verkar "veta" vart de ska ta vägen. Men hur lär de sig platsen för sin destination? Denna fråga är nyckeln till att förstå fenomen som förnyelse av celler i vår kropp, migration av cancerceller, och speciellt hur sår läker. Edouard Hannezo och hans grupp vid Institute of Science and Technology Österrike (IST Österrike) i samarbete med Tsuyoshi Hirashima och hans student vid Kyoto University föreslår en ny modell för informationsöverföring där celler använder långväga resor vågor på ett självorganiserat sätt att stänga ett sår. Denna studie publicerades nyligen i tidskriften Naturfysik .

Forskarna byggde en matematisk modell för att beskriva interaktionerna inom ett lager av celler på ett substrat, liknar ett hudlager. Dessa celler innehåller kemiska signaler - proteiner - som låter dem känna av andra celler runt dem, så oavsett om de trycks eller dras, och att kontrollera sin egen rörelse. Vad forskarna fann är att det invecklade samspelet mellan cellrörelser, känna av miljön, och tillstånd av proteinaktivering i cellerna kombineras för att skapa kopplade mekaniska och kemiska vandringsvågor i vilka riktningsinformation kodas.

Feedback loopar

Den mekaniska vågen uppträder som tätare och glesare regioner av celler omväxlande i rum och tid. Den kemiska vågen uppträder som proteinaktivitet och utlöses av cellrörelser och mekanisk återkoppling. Cellernas kemi driver i sin tur cellformförändringar och rörelser och stänger en återkopplingsslinga med cellmekanik. I detta kopplade system uppstår dessa mekaniska och kemiska vågor spontant på grund av återkoppling och förstärkning.

I ett normalt oskadat lager av celler, dessa vågor utbreder sig utan en föredragen riktning, men när ett konstgjort sår introduceras på ena sidan, vågor omorienteras för att fortplanta sig uteslutande bort från såret. Forskarna antog alltså att vågorna kunde vara ett kommunikationsverktyg, låta celler väldigt långt från såret – och därmed inte direkt "se" det – känna vilken väg de ska gå.

Läser vågorna

En densitetsvåg gör att grannarna till en cell trycker och drar i den längs den riktning som vågen rör sig. Eftersom krafterna som utövas på cellen är lika och motsatta mellan topparna och dalarna för varje våg, resultatet är att cellen bara rör sig små sträckor fram och tillbaka utan någon nettorörelse. I själva verket, cellen har inget sätt att veta varifrån vågen kom och har därför ingen information om var såret finns.

Det är här den andra vågen av proteinaktivitet kommer in. Den träffar cellen något efter densitetsvågen på grund av fördröjningen som det tar för proteiner att aktiveras. Och eftersom proteinaktivitet styr hastigheten med vilken cellerna rör sig, en fördröjning mellan de två vågorna gör att cellerna kan röra sig snabbt när de dras i sårets riktning, och långsamt när man knuffas undan. På det här sättet, celler kan bryta symmetri och börja röra sig i önskad riktning mot såret.

Experiment utanför jämvikt

Forskarna vid Kyoto University observerade detta beteende utanför jämvikt vid sårläkning under in vitro-experiment med riktiga celler på ett substrat. De använde en ny mikroskopiteknik för att göra det möjligt för dem att mäta proteinaktivitet inom varje cell:proteinet modifierades så att det lyste upp när det aktiverades och avslöjade därmed vågor av proteinaktivering som fortplantade sig genom cellskiktet. Forskarna kunde kvantitativt förutsäga vågmönstren, som de sedan också observerade experimentellt. Mer slående, de fann också att fördröjningen mellan de två vågorna var nära det teoretiskt förutspådda optimum för att tillåta celler att extrahera maximal information från vågorna.

Denna mekanism för självorganisering är anmärkningsvärd för att tillåta robust och spontan kommunikation av riktning över stora avstånd inom cellskikt. Det visar ett sätt på vilket koordinerat beteende kan uppstå i våra kroppar och hjälpa dem att läka och växa.