I livets tidigaste skede, djuren genomgår några av sina mest spektakulära fysiska transformationer. En gång bara klumpar av delande celler, de börjar omarrangera sig till sina mer karakteristiska former, vare sig de fiskar, fåglar eller människor. Att förstå hur celler fungerar tillsammans för att bygga vävnader har varit ett grundläggande problem inom fysik och biologi.

Nu, UC Santa Barbara professor Otger Campàs, som också innehar Mellichamp-stolen i systembiologi och bioteknik, och Sangwoo Kim, en postdoktor i professor Campàs lab, har närmat mig denna fråga, med överraskande fynd.

"När du har många celler som fysiskt interagerar med varandra, hur fungerar systemet kollektivt? Vad är ensemblets fysiska tillstånd? "Sa Campàs.

Verkligen, han förklarade, embryonal cellvävnad är ett "konstigt material, "med varje cell som förbrukar kemisk energi och använder den för att utöva krafter på sina grannar och samordna deras handlingar. In vitro-studier med celler i syntetiska rätter ger bara en del av bilden, han lade till; genom att studera celler i sin inhemska miljö, det levande embryot, de kunde ta reda på hur celler kontrollerar sitt kollektiva tillstånd och fasövergångarna som uppstår från deras symfoni av knuffar och drag.

I ett papper publicerat i Naturfysik , Campàs, Kim och kollegor rapporterar utvecklingen av ett beräkningsramverk som fångar de olika interaktionerna mellan celler och kopplar dem till embryonal vävnadsdynamik. Till skillnad från tidigare simuleringar, denna ram tar hänsyn till flera viktiga funktioner som är relevanta för cellinteraktioner, t.ex. mellanrum mellan celler, cellformer och spänningsfluktuationer där cellerna möts.

"För att till fullo förstå det fysiska beteendet hos embryonala vävnader, alla viktiga aspekter av embryonala vävnader i cellskalor bör beaktas i modellen eftersom framväxande vävnadsegenskaper härrör från interaktioner i cellulär skala, "sa Kim, huvudförfattaren till studien. "Det finns många modeller för att studera embryonala vävnader, men det finns ingen allmän ram som innehåller dessa nyckelfunktioner, hindrar den holistiska förståelsen av det fysiska beteendet hos embryonala vävnader. "

Jiggling Cells

Embryonal vävnad, enligt forskarna, beter sig fysiskt lite som ett vattenhaltigt skum, ett system som består av individuella luftfickor som klumpats ihop i en vätska. Tänk tvålskum eller ölskum.

"När det gäller skum, dess struktur och dynamik styrs av ytspänning, "Sa Kim. Analoga krafter hittas där celler kommer i kontakt med varandra i embryonal vävnad, både på cellmembranens inre ytor och mellan cellerna.

"Effektiva krafter som verkar på cell-till-cell-övergångar styrs av kortikal spänning och cell-till-cell-adhesion, "Sa Kim, "så att nätkraften vid cell-till-cell-kontakterna kan modelleras som en effektiv ytspänning."

Dock, till skillnad från de mer statiska krafterna mellan celler i typiska skum, krafterna mellan celler i embryonal vävnad är dynamiska.

"Celler i vävnader genererar inte statiska krafter, utan snarare visa dynamiskt tryck och drag över tiden, "Förklarade Campàs." Och vi finner att det faktiskt är dessa spänningsfluktuationer som effektivt "smälter" vävnaden till ett flytande tillstånd. "Det är vävnadens vätska som gör att celler kan omorganisera och forma vävnaderna, han förklarade.

Forskarna sätter sin modell på prov genom att mäta hur krafter förändras över tiden i embryonala zebrafiskar, en populär modellorganism för dem som studerar ryggradsdjurens utveckling. Förlitar sig på en teknik som utvecklats i Campàs Lab med små magnetiska droppar infogade mellan celler i embryonala zebrafiskar, de kunde bekräfta, förresten droppen deformerades, de dynamiska krafterna bakom vävnadens vätskestatus.

Deras upptäckt att spänningsfluktuationer är ansvariga för vävnadens fluiditet under utvecklingen står i kontrast till den allmänt accepterade uppfattningen att förändringar i vidhäftning mellan celler är den kritiska faktorn som styr vävnadens fluiditet - om vidhäftningen mellan cellerna nått en viss hög tröskel , vävnaden skulle bli flytande.

"Men eftersom cellkrafter och spänningar fluktuerar i embryon, det kan vara så att dessa spelade en viktig roll för vävnadsfluidisering, "Campàs sa." Så när vi körde simuleringarna och gjorde experimenten, vi insåg att jigglingen faktiskt var mycket viktigare för fluidiseringen än vidhäftningen." Vävnadens flytande tillstånd är resultatet av krafternas dynamik, snarare än förändringar i statisk cellspänning eller vidhäftning.

Resultaten av denna studie kan ha konsekvenser inom fysik, särskilt inom området för aktiv materia - system för många enskilda enheter som var och en förbrukar energi och tillämpar mekaniska krafter som kollektivt uppvisar framväxande kollektiva beteenden. Studien kan också informera studier i biologi, i undersökningar av hur förändringar i enskilda cellparametrar kan styra vävnadens globala tillstånd, till exempel med embryonal utveckling eller med tumörer.