Hos många arter inklusive människor, cellerna som ansvarar för reproduktionen, könscellerna, är ofta starkt sammankopplade och delar sin cytoplasma. I hermafroditnematoden Caenorhabditis elegans, upp till 500 könsceller är kopplade till varandra i gonaden, vävnaden som producerar ägg och spermier. Dessa celler är arrangerade runt en central cytoplasmatisk "korridor" och utbyter cytoplasmatiskt material som främjar celltillväxt, och slutligen producera oocyter redo att befruktas.

I tidigare studier, forskare har funnit att C. elegans gonaderna genererar fler könsceller än vad som behövs och att bara hälften av dem växer till oocyter, medan resten krymper och dör av fysiologisk apoptos, en programmerad celldöd som inträffar i flercelliga organismer. Nu, forskare från Biotechnology Center vid TU Dresden (BIOTEC), Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics (MPI-CBG), Cluster of Excellence Physics of Life (PoL) vid TU Dresden, Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems (MPI-PKS), Flatiron Institute, NY, och University of California, Berkeley, har hittat bevis för att svara på frågan om vad som utlöser detta cellödesbeslut mellan liv och död i könslinjen.

Tidigare studier avslöjade den genetiska grunden och de biokemiska signalerna som driver fysiologisk celldöd, men mekanismerna som väljer ut och initierar apoptos i individuella könsceller förblev oklara. När könsceller mognar längs nematodens gonad, de växer först kollektivt i storlek och volym homogent. I studien som just publicerades i Naturfysik , forskarna visar att denna homogena tillväxt plötsligt övergår till en heterogen tillväxt där vissa celler blir större och vissa celler blir mindre.

Forskaren Nicolas Chartier i gruppen av Stephan Grill, och medförfattare till studien, förklarar, "Genom att exakt analysera könscellsvolymer och cytoplasmatiska materialflöden i levande maskar och genom att utveckla teoretisk modellering, vi har identifierat en hydraulisk instabilitet som förstärker små initiala slumpmässiga volymskillnader, vilket gör att vissa könsceller ökar i volym på bekostnad av de andra som krymper. Det är ett fenomen, vilket kan jämföras med instabiliteten med två ballonger, välkänd av fysiker. En sådan instabilitet uppstår när man samtidigt blåser in i två gummiballonger som försöker blåsa upp dem båda. Endast den större ballongen kommer att blåsas upp, eftersom det har ett lägre inre tryck än det mindre, och är därför lättare att blåsa upp."

Detta är vad som är på spel i valet av könsceller:sådana tryckskillnader tenderar att destabilisera den symmetriska konfigurationen med lika könscellsvolymer, så kallade hydrauliska instabiliteter, leder till tillväxten av den större könscellen på bekostnad av den mindre. Genom att artificiellt minska könscellsvolymerna via termoviskös pumpning (FLUCS-metod:Focused-light-induced cytoplasmic streaming), teamet visade att minskningen av cellvolymer leder till deras extrudering och celldöd, indikerar att när en cell är under en kritisk storlek, apoptos induceras och cellen dör.

Genom att använda konfokal bildbehandling, forskarna kunde avbilda den levande maskens hela organism för att få en global och exakt bild av volymen av alla gonadceller, samt utbyte av vätskor mellan cellerna. Stephan Grill, Talare för Cluster of Excellence Physics of Life (PoL) och handledare för det multidisciplinära arbetet, lägger till, "Dessa fynd är mycket spännande eftersom de avslöjar att beslutet om liv och död i cellerna är av mekanisk natur och relaterat till vävnadshydraulik. Det hjälper till att förstå hur organismen automatiskt väljer en cell som ska bli ett ägg. Dessutom, studien är ytterligare ett exempel på det utmärkta samarbetet mellan biologer, fysiker och matematiker i Dresden."