Kunsten at orme gennem trange rum

Hvor aktivt stof, såsom samlinger af bakterie- eller epitelceller, formår at udvide sig til smalle rum afhænger i høj grad af deres vækstdynamik, som LMU-fysikere demonstrerer i en nyligt offentliggjort undersøgelse.

Biologiske former for aktivt stof, såsom bakterielle biofilm eller ark af epitelceller, findes ofte i afgrænsede mikrorum. At finde ud af, hvordan sådanne systemer koloniserer deres miljø og udvider deres rækkevidde ved at invadere nye territorier, vil forbedre vores forståelse af mange af de normale funktioner og sygdomstilstande, der observeres i højere organismer. I samarbejde med Dr. Amin Doostmohammadi (University of Oxford), LMU-fysikere Felix Kempf og professor Erwin Frey har nu ved hjælp af computersimuleringer demonstreret, at cellekollektiver udviser en række forskellige motilitetsmønstre, når de nærmer sig og passerer gennem lokale forsnævringer. Forfatterne af den nye undersøgelse fortsætter med at vise, at det anvendte mønster afhænger af niveauet af aktiv motilitet, der udvikler sig i forkanten af ​​samlingen. Resultaterne fremgår af journalen Blødt stof .

Adskillige tidligere publikationer havde foreslået, at de kollektive bevægelser af biologisk materiale er påvirket af arten af ​​det terræn, som sådanne systemer befinder sig i. I særdeleshed, in vitro-forsøg udført med epitel- og bakterieceller, og med blandinger bestående af isolerede intracellulære biofilamenter og molekylære motorer, har afsløret, at rumlige grænser har en væsentlig indflydelse på motiliteten. "Indtil nu, denne type forskning har primært koncentreret sig om samspillet mellem formen af ​​den anvendte hindring og den bevægelige aktivitet af de pågældende partikler, " siger Kempf, hovedforfatteren af ​​det nye papir. Imidlertid, i de fleste af disse systemer, antallet af partikler forbliver ikke konstant. Under naturlige forhold, epitel- eller bakterieceller deler sig med jævne mellemrum og, når de er indespærret i kapillarrør, de danner en fremadskridende invasionsfront. Derfor, for at forstå, hvordan disse mønstre dannes og udvikler sig, det er nødvendigt at tage højde for vækstdynamikken i disse systemer. Kempf og kolleger brugte computersimuleringer til at udforske virkningerne af denne faktor.

De observerede tre grundlæggende forskellige former for invasion, som kan skelnes på grundlag af vækstsystemets samlede aktivitet og invasionsfrontens adfærd, når den nærmer sig indsnævringen. Hvis niveauet af bevægelig aktivitet er lavt, invasionsfronten bevarer sin glatte og skarpt definerede kontur, mens den bevæger sig frem med konstant hastighed. Ved højere aktivitetsniveauer, forkanten antager en uregelmæssig kontur. Endelig, når aktivitetsniveauet overstiger en vis tærskel, små klynger af celler løsnes fra den fremadskridende front, som så kan orme sig gennem det smalle mellemrum. Simuleringerne gjorde det også muligt for forskerne at karakterisere de processer, der driver de overgange, der observeres, når invasionsfronten udvikler sig, og at kvantificere deres indvirkning på den hastighed, hvormed cellerne avancerede ind i det stadig mere afgrænsede rum. "Disse resultater giver et væsentligt bidrag til vores forståelse af aktivt stof, og har flere implikationer, som kan testes i fremtidige eksperimenter, " siger Kempf.