_ Utilizarea principiilor fizicii pentru a înțelege cum auto-sortarea celulelor în dezvoltare

Erin McCarthy '23, fizică summa cum laude, este o raritate în rândul tinerilor oameni de știință. În calitate de cercetător universitar în cadrul Departamentului de Fizică al Colegiului de Arte și Științe al Universității din Syracuse, ea a condus un studiu care a apărut în martie 2024 în Physical Review Letters. Este cel mai citat jurnal de scrisori de fizică și al optulea cel mai citat jurnal din știință în general.

McCarthy și asociații postdoctorali Raj Kumar Manna și Ojan Damavandi au dezvoltat un model care a identificat un comportament colectiv neașteptat printre particulele computaționale cu implicații pentru viitoarea cercetare medicală de bază și bioinginerie.

„Este foarte dificil să obțineți o lucrare în Physical Review Letters”, a spus M. Lisa Manning, co-autor și profesorul William R. Kenan, Jr. de fizică, precum și director fondator al Institutului BioInspired de la Universitatea Syracuse. „Colegii tăi științifici trebuie să-l considere excepțional.”

McCarthy, originar din New Jersey, a ales Syracuse din cauza „energiei sale extraordinare”, a spus ea. „Latura educațională și de cercetare a lucrurilor a fost uimitoare. Am venit să plănuiesc să fiu un specialist în fizică care a fost pregătit. Mi-a plăcut fizica și biologia și am vrut să mă implic în îngrijirea sănătății și în medicină. Și am avut noroc că am cunoscut Dr. Manning ca boboc și ea m-a introdus în biofizica computațională. Am început cercetările în primul an, ceea ce este extrem de neobișnuit.”

„Erin a învățat codificarea de la zero și apoi a făcut ore și ore. de simulări, care a necesitat multă perseverență”, a spus Manning. „Este doar o dovadă fantastică a eticii și strălucirii ei de muncă că această lucrare a apărut într-un jurnal atât de prestigios.”

Echipa de cercetare a folosit modelarea fizicii computaționale pentru a descoperi mecanismele care stau la baza care fac ca particulele să se trimită spontan în diferite grupuri.

Învățarea modului în care particulele se comportă în modelele fizice ar putea oferi o perspectivă asupra modului în care particulele biologice vii — celule, proteine ​​și enzime — se remix în dezvoltare.

În etapele incipiente ale unei embrion, de exemplu, celulele încep în amestecuri eterogene. Celulele trebuie să se autosorteze în compartimente diferite pentru a forma țesuturi omogene distincte. Acesta este unul dintre comportamentele celulare colective majore la lucru în timpul dezvoltării țesuturilor și organelor și regenerării organelor.

„Celulele trebuie să fie capabile să se organizeze corect, segregându-se pentru a-și face treaba”, a spus McCarthy. „Am vrut să înțelegem, dacă elimini chimia și te uiți strict la fizică, care sunt mecanismele prin care această reorganizare se poate întâmpla spontan?”

Investigațiile anterioare de fizică au descoperit că particulele se separă atunci când unele primesc o zguduire mai mare. temperatura. Pe măsură ce o populație de particule este injectată cu energie la scară mică, aceasta devine activă – sau „fierbinte” – în timp ce cealaltă populație este lăsată inactivă sau „rece”. Această diferență de căldură determină o reorganizare între cele două populații. Aceste modele sunt versiuni simplificate ale sistemelor biologice, folosind temperatura pentru a aproxima energia celulară și mișcarea.

„Particulele fierbinți împing particulele reci deoparte, astfel încât să poată ocupa un spațiu mai mare”, a spus co-autorul Manna. „Dar asta se întâmplă doar atunci când există un decalaj între particule.”

Modelările anterioare au identificat comportamentul particulelor de autosortare la densități intermediare mai puțin împachetate.

Dar echipa Syracuse a găsit ceva surprinzător . După ce au injectat energie într-o populație de particule de înaltă densitate, particulele fierbinți nu le-au împins pe cele reci. Particulele fierbinți nu aveau spațiu pentru a face acest lucru.

Acest lucru este important deoarece particulele biologice - proteinele din celule și celulele din țesut - trăiesc de obicei în spații strâmte și aglomerate.

„Pielea ta, de exemplu, este un mediu foarte dens”, a spus McCarthy. „Celulele sunt atât de strâns între ele, încât nu există spațiu între ele. Dacă vrem să aplicăm aceste descoperiri ale fizicii la biologie, trebuie să ne uităm la densități mari pentru ca modelele noastre să fie aplicabile. Dar la densități foarte mari, diferența de activitate între două populațiile nu le determină sortarea.”

Trebuie să existe un alt mecanism de autosortare în joc în biologie. „Temperatura sau injecția activă de energie nu separă întotdeauna lucrurile, așa că nu o poți folosi în biologie”, a spus Manning. „Trebuie să cauți un alt mecanism.”

Pentru Manning, acest studiu ilustrează punctele forte ale Universității din Syracuse. „Faptul că un student de licență a condus această cercetare vorbește despre calitatea uimitoare a studenților pe care îi avem la Universitatea Syracuse, care sunt la fel de buni ca cei de oriunde în lume, și despre excepționalitatea Erin însăși”, a spus Manning.

McCarthy, un tehnolog de cercetare într-un laborator biologic de la Școala de Medicină a Universității Northwestern, intenționează să înceapă să aplice pentru școala absolventă.

„La Syracuse”, a spus McCarthy, „am învățat cât de mult îmi place cercetarea și vreau ca aceasta să facă parte din viitorul meu.”

(Fluierul)