Brug af fysikprincipper til at forstå, hvordan celler selv sorterer i udvikling

Erin McCarthy '23, fysik summa cum laude, er en sjældenhed blandt unge videnskabsmænd. Som bachelorforsker ved Syracuse University's College of Arts &Sciences' Department of Physics guidede hun en undersøgelse, der udkom i marts 2024 i Physical Review Letters . Det er det mest citerede tidsskrift for fysikbogstaver og det ottendemest citerede tidsskrift i videnskab generelt.

McCarthy og postdoktorale associerede Raj Kumar Manna og Ojan Damavandi udviklede en model, der identificerede en uventet kollektiv adfærd blandt beregningspartikler med implikationer for fremtidig grundlæggende medicinsk forskning og bioteknik.

"Det er meget svært at få et papir ind i Physical Review Letters ," sagde M. Lisa Manning, medforfatter, og William R. Kenan, Jr. professor i fysik samt stiftende direktør for BioInspired Institute ved Syracuse University. "Dine videnskabelige kammerater må dømme det som usædvanligt."

McCarthy, en indfødt New Jersey, valgte Syracuse på grund af dets "enorme energi," sagde hun. "Den uddannelsesmæssige og forskningsmæssige side af tingene var fantastisk. Jeg kom til at planlægge at blive fysikstuderende, som var klar. Jeg elskede fysik og biologi, og jeg ville være involveret i sundhedspleje og medicin. Og jeg var heldig, da jeg mødte Dr. Manning som førsteårsstuderende, og hun introducerede mig til beregningsbiofysik. Jeg startede med forskning i mit førsteårsår, hvilket er ekstremt usædvanligt."

"Erin lærte kodning fra bunden og lavede derefter timevis af simuleringer, hvilket krævede meget udholdenhed," sagde Manning. "Det er bare et fantastisk vidnesbyrd om hendes arbejdsmoral og glans, at dette papir dukkede op i et så prestigefyldt tidsskrift."

Forskerholdet brugte beregningsfysikmodellering til at finde ud af de underliggende mekanismer, der får partikler til at sortere spontant i forskellige grupper.

At lære, hvordan partikler opfører sig i fysikmodeller, kan give indsigt i, hvordan levende biologiske partikler – celler, proteiner og enzymer – blander sig selv under udvikling.

I de tidlige stadier af et embryo starter celler for eksempel i heterogene blandinger. Celler skal selvsortere i forskellige rum for at danne distinkte homogene væv. Dette er en af ​​de vigtigste kollektive celleadfærd, der fungerer under udvikling af væv og organer og organregenerering.

"Celler skal være i stand til at organisere sig ordentligt og adskille sig selv for at udføre deres job," sagde McCarthy. "Vi ønskede at forstå, hvis du fjerner kemi og ser strengt på fysik, hvad er de mekanismer, hvorved denne reorganisering kan ske spontant?"

Tidligere fysikundersøgelser viste, at partikler adskilles, når nogle får et stød med højere temperatur. Da en population af partikler bliver injiceret med energi i lille skala, bliver den aktiv – eller "varm" - mens den anden population efterlades inaktiv eller "kold". Denne forskel i varme forårsager en omorganisering blandt de to befolkninger. Disse modeller er forenklede versioner af biologiske systemer, der bruger temperatur til at tilnærme cellulær energi og bevægelse.

"Varme partikler skubber de kolde partikler til side, så de kan overtage et større rum," sagde medforfatter Manna. "Men det sker kun, når der er et hul mellem partiklerne."

Tidligere modellering identificerede selvsorterende partikeladfærd ved mindre pakkede, mellemliggende tætheder.

Men Syracuse-holdet fandt noget overraskende. Efter at have injiceret energi i en population af højdensitetspartikler, skubbede de varme partikler ikke kolde rundt. De varme partikler manglede plads til det.

Det er vigtigt, fordi biologiske partikler - proteiner i celler og celler i væv - typisk lever i trange, overfyldte rum.

"Din hud er for eksempel et meget tæt miljø," sagde McCarthy. "Celler er pakket så tæt sammen, at der ikke er mellemrum mellem dem. Hvis vi vil anvende disse fysikfund på biologi, skal vi se på høje tætheder for at vores modeller er anvendelige. Men ved meget høje tætheder er forskellen i aktivitet mellem to populationer får dem ikke til at sortere."

Der må være en anden selvsorteringsmekanisme på spil i biologien. "Temperatur eller aktiv injektion af energi adskiller ikke altid ting, så du kan ikke bruge det i biologi," sagde Manning. "Du skal søge efter en anden mekanisme."

For Manning illustrerer denne undersøgelse styrkerne ved Syracuse University. "Det faktum, at en studerende stod i spidsen for denne forskning, taler om den fantastiske kvalitet af studerende, vi har på Syracuse University, som er lige så gode som dem overalt i verden, og om Erin selv," sagde Manning.

Manna, postdoc-mentor for den sidste del af McCarthys projekt, var afgørende for at få det til at afslutte. "Undersøgelsen ville ikke være sket uden ham," sagde Manning. "Dette viser, at vi er i stand til at rekruttere fremragende postdoc-medarbejdere til Syracuse, fordi vi er så fantastisk et forskningsuniversitet." Manna er nu postdoc ved Institut for Fysik ved Northeastern University.

McCarthy, en forskningsteknolog i et biologisk laboratorium ved Northwestern University School of Medicine, planlægger at begynde at søge ind på en forskerskole.

"I Syracuse," sagde McCarthy, "har jeg lært, hvor meget jeg elsker forskning og ønsker, at det skal være en del af min fremtid."

Flere oplysninger: Erin McCarthy et al., Demixing in Binary Mixtures with Differential Diffusivity at High Density, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.098301

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af Syracuse University