Klaustrophobische Zellen verlangsamen ihr eigenes Wachstum und bilden wunderschöne Muster konzentrischer Kreise

Wie bei so vielen Organismen auf dem Planeten können Zellen, wenn sie im Mosh-Pit überfüllt sind, einfach gestresst werden. Doch im Gegensatz zu den meisten anderen Lebensformen können Zellen, die physischem Stress durch überfüllte Nachbarn ausgesetzt sind, eine gewisse Erleichterung finden, indem sie ihr eigenes Wachstum erheblich verlangsamen und so ein auffälliges Muster konzentrischer Kreise mit spektakulären Folgen bilden.

Dieser Prozess, der durch Simulationen und Modellierung sich teilender Bakterienkolonien entdeckt wurde, wird in einer neuen Studie beschrieben, die in veröffentlicht wurde Briefe zur körperlichen Untersuchung. Die Ergebnisse könnten neue Wege aufzeigen, das Wachstum schädlicher Mikroorganismen bei Infektionen oder bei der Herstellung zu verlangsamen, sagt der Hauptautor der Studie, Scott Weady, Forscher am Center for Computational Biology am Flatiron Institute in New York.

„Ich war wirklich überrascht, dass Zellen, die dieser Art von mechanischem Stress ausgesetzt waren, ihr Wachstum auf diese Weise abschwächen konnten“, sagt Weady. „Es ist interessant, dass sie diese konzentrischen Kreise bilden, wobei jeder Ring zeigt, wie sehr sie von ihren Nachbarn erstickt wurden, was sich letztendlich auf ihre Größe auswirkt. Es ist ein robustes Muster, das auf einer sehr einfachen Regel beruht, und es ist einfach etwas, das niemand hatte.“ gedacht, vorher zu messen.

Weady war Co-Autor der Studie zusammen mit den Forscherkollegen des Flatiron Institute, Bryce Palmer, Adam Lamson, Reza Farhadifar und Michael Shelley, sowie Taeyoon Kim von der Purdue University.

Ein tiefer Einblick in die Zellteilung

Weadys Gruppe interessiert sich für biophysikalische Modellierung oder, wie er es ausdrückt, dafür, wie Regeln im kleinen Maßstab Verhaltensweisen im großen Maßstab steuern. In diesem Fall wollte sein Team die Zellproliferation untersuchen, den Prozess, bei dem sich Zellen teilen, um mehr Kopien von sich selbst zu produzieren.

Die Gruppe begann mit einem explorativen Ansatz und untersuchte Simulationen wachsender Bakterienkolonien. Zunächst dachten sie über allgemeinere Maßnahmen wie die Regulierung der Zellgröße nach, doch dann bemerkten sie einen Trend.

Typischerweise verläuft der Prozess der Zellproliferation exponentiell: Eine Zelle teilt sich in zwei Teile, und ihre Nachkommen teilen sich in zwei Teile usw. und wachsen weiterhin mit zunehmender Geschwindigkeit. In ihren Simulationen stellte das Team jedoch fest, dass sich die Zellen nicht wie erwartet teilten: Tatsächlich verlangsamte sich ihre Proliferationsrate erheblich, je dichter ihre Umgebung wurde.

„Man beginnt mit einer einzelnen Zelle, die wenig oder gar keinen Stress verspürt. Dann teilt sie sich, und diese Zellen teilen sich, und die Zellen, die näher am Zentrum liegen, werden immer mehr gestresst, weil mehr Druck auf sie ausgeübt wird, was dazu führt, dass sie ihre Arbeit verlangsamen.“ Geschäft“, sagt Weady. „Wenn man sich also dem Rand des Kreises nähert, erhält man diese Bänder ungleichmäßiger Spannungsempfindlichkeit, die sich als konzentrische Kreise manifestieren.“

Diese erste Arbeit basiert auf Partikelsimulationen, die veranschaulichen, wie der Proliferationsprozess in einer relativ kleinen Anzahl von Zellen abläuft. Basierend auf diesen Daten entwickelte das Team dann ein sogenanntes Kontinuumsmodell, das abschätzt, wie der Prozess in einer sehr großen Anzahl von Zellen ablaufen könnte.

„Bei Partikelsimulationen betrachten Sie etwas Diskretes: in diesem Fall Bakterien, die Sie im Laufe der Zeit verfolgen“, sagt Weady. „Aber das Kontinuumsmodell funktioniert anders, es geht davon aus, dass die Anzahl der Teilchen sehr groß ist, sodass man es als kontinuierliches Material darstellen kann. Dies hilft uns, den Prozess in größerem Maßstab besser zu untersuchen und seine Robustheit zu verstehen.“

Interessanterweise stellte das Team fest, dass ihr Kontinuumsmodell sehr gut mit dem übereinstimmte, was sie in Partikelsimulationen sahen, was darauf hindeutet, dass ihre Intuition wahr war: Zellen, die in einer Ecke stecken, verlangsamen ihr eigenes Wachstum und schaffen so ein auffälliges Motiv.

Kontrollieren Sie das Zellwachstum

Es ist interessant, die Zellproliferation zu untersuchen, weil es sich um einen grundlegenden Prozess handelt, aber auch weil proliferierende Zellen, wenn sie schädlich sind (denken Sie an eine bakterielle Infektion), schädliche Auswirkungen haben können.

„Es ist wichtig zu verstehen, wie der Prozess auf natürliche Weise reguliert wird und wie man ihn kontrolliert“, sagt Weady. „Unser Modell identifiziert Umweltfaktoren, die die Reaktion einer Zelle auf mechanischen Stress verstärken können, und die Förderung dieser Faktoren könnte das exponentielle Wachstum verlangsamen.“

Das in dieser Studie entwickelte Modell könnte auch als Grundlage für die Untersuchung anderer zellulärer Verhaltensweisen dienen.

„Ich denke, das Modell ist ein nützliches Werkzeug für Menschen, die Störungen in der Reaktion von Zellen untersuchen möchten, sei es durch Stress, Zugang zu Nährstoffen oder etwas anderes“, sagt Weady. „Es ist sehr klar, wie man diese Fragen mit einem solchen Modell stellen kann, daher finde ich es spannend, was es im weiteren Sinne ermöglichen wird.“