Mithilfe physikalischer Prinzipien verstehen, wie sich Zellen während der Entwicklung selbst sortieren

Erin McCarthy ’23, Physik summa cum laude, ist eine Seltenheit unter jungen Wissenschaftlern. Als Bachelor-Forscherin am Fachbereich Physik des College of Arts and Sciences der Syracuse University leitete sie eine im März 2024 veröffentlichte Studie Briefe zur körperlichen Untersuchung. Es ist die am häufigsten zitierte Zeitschrift für Physikliteratur und die achthäufigste Wissenschaftszeitschrift insgesamt.

McCarthy und seine Postdoktoranden Raj Kumar Manna und Ojan Damavandi entwickelten ein Modell, das unerwartetes kollektives Verhalten zwischen Computerteilchen identifizierte, mit Auswirkungen auf die zukünftige medizinische Grundlagenforschung und Biotechnik.

„Es ist sehr schwierig, eine Zeitung reinzubringen Briefe zur körperlichen Untersuchung„, sagte M. Lisa Manning, Co-Autorin und William R. Kenan, Jr. Professorin für Physik sowie Gründungsdirektorin des BioInspired Institute an der Syracuse University. „Ihre wissenschaftlichen Kollegen müssen es als außergewöhnlich beurteilen.“

McCarthy, eine gebürtige New Jerseyerin, wählte Syracuse wegen seiner „enormen Energie“, sagte sie. „Die Ausbildung und Forschung war großartig. Ich kam mit der Absicht, Physik zu studieren und Medizin zu studieren. Ich liebte Physik und Biologie und wollte mich im Gesundheitswesen und in der Medizin engagieren. Und ich hatte das Glück, Dr. Manning, meinen Erstsemester, kennenzulernen Jahr, und sie führte mich in die computergestützte Biophysik ein, und ich begann in meinem ersten Jahr mit der Forschung, was äußerst ungewöhnlich ist.

„Erin lernte das Programmieren von der Pike auf und führte dann stundenlange Simulationen durch, was viel Ausdauer erforderte“, sagte Manning. „Es ist einfach ein fantastischer Beweis seiner Arbeitsmoral und seines Genies, dass dieser Artikel in einer so renommierten Zeitschrift erschien.“

Das Forschungsteam nutzte rechnergestützte physikalische Modelle, um die zugrunde liegenden Mechanismen zu verstehen, die dazu führen, dass sich Partikel spontan in verschiedene Gruppen sortieren.

Das Erlernen des Verhaltens von Partikeln in physikalischen Modellen könnte Aufschluss darüber geben, wie sich lebende biologische Partikel (Zellen, Proteine ​​und Enzyme) während der Entwicklung neu vermischen.

In den frühen Stadien eines Embryos werden beispielsweise Zellen in heterogenen Mischungen geboren. Zellen müssen sich selbst in verschiedene Kompartimente sortieren, um unterschiedliche homogene Gewebe zu bilden. Dies ist eines der wichtigsten kollektiven zellulären Verhaltensweisen bei der Entwicklung von Geweben und Organen sowie der Regeneration von Organen.

„Zellen müssen in der Lage sein, sich richtig zu organisieren und zu trennen, um ihre Arbeit zu erledigen“, sagte McCarthy. „Wir wollten verstehen, durch welche Mechanismen diese Neuorganisation spontan erfolgen kann, wenn wir uns von der Chemie entfernen und uns ausschließlich auf die Physik konzentrieren?“

Frühere physikalische Untersuchungen haben gezeigt, dass sich Partikel trennen, wenn einige einem Stoß höherer Temperatur ausgesetzt sind. Wenn eine Partikelpopulation eine kleine Energiezufuhr erhält, wird sie aktiv – oder „heiß“ –, während die andere Population inaktiv oder „kalt“ bleibt. Dieser Wärmeunterschied führt zu einer Neuorganisation zwischen den beiden Populationen. Bei diesen Modellen handelt es sich um vereinfachte Versionen biologischer Systeme, bei denen die Temperatur zur Annäherung an zelluläre Energie und Bewegung genutzt wird.

„Die heißen Partikel drängen die kalten Partikel aus dem Weg, sodass sie einen größeren Raum einnehmen können“, sagte Co-Autor Manna. „Das passiert aber nur, wenn zwischen den Teilchen Platz ist.“

Frühere Modellierungen haben das Verhalten selbstsortierender Partikel bei weniger dichten Zwischendichten identifiziert.

Aber das Syracuse-Team fand etwas Überraschendes. Nachdem Energie in eine Population hochdichter Partikel injiziert wurde, stießen die heißen Partikel nicht gegen die kalten Partikel. Den heißen Teilchen fehlte dafür der Platz.

Dies ist wichtig, da biologische Partikel – die Proteine ​​in Zellen und die Zellen in Geweben – typischerweise in engen, überfüllten Räumen leben.

„Ihre Haut ist zum Beispiel eine sehr dichte Umgebung“, sagte McCarthy. „Die Zellen sind so dicht zusammengepackt, dass zwischen ihnen kein Platz ist. Wenn wir diese physikalischen Erkenntnisse auf die Biologie anwenden wollen, müssen wir hohe Dichten betrachten, damit unsere Modelle anwendbar sind. Aber bei sehr hohen Dichten ist der Unterschied in Aktivität zwischen zwei Populationen führt nicht zu einer Sortierung.

In der Biologie muss ein weiterer Selbstsortierungsmechanismus im Spiel sein. „Temperatur oder aktive Energieeinspeisung trennen Dinge nicht immer, daher kann man sie in der Biologie nicht nutzen“, sagte Manning. „Man muss nach einem anderen Mechanismus suchen.“

Für Manning verdeutlicht diese Studie die Stärken der Syracuse University. „Die Tatsache, dass ein Student im Grundstudium diese Forschung geleitet hat, ist ein Beweis für die außergewöhnliche Qualität der Studenten, die wir an der Syracuse University haben, die so gut sind wie alle anderen auf der Welt, und für den außergewöhnlichen Charakter von Erin selbst“, sagte Manning .

Manna, der Postdoc-Mentor für den letzten Teil von McCarthys Projekt, spielte eine entscheidende Rolle bei dessen Abschluss. „Ohne ihn wäre die Studie nicht zustande gekommen“, sagte Manning. „Dies zeigt, dass wir in der Lage sind, außergewöhnliche Postdoktoranden für Syracuse zu gewinnen, weil wir eine exzellente Forschungsuniversität sind.“ Manna ist jetzt Postdoktorandin in der Physikabteilung der Northeastern University.

McCarthy, ein Forschungstechnologe in einem Biologielabor an der Northwestern University School of Medicine, plant, sich für ein Graduiertenstudium zu bewerben.

„In Syracuse“, sagte McCarthy, „habe ich gelernt, wie sehr ich Forschung liebe und dass ich möchte, dass sie Teil meiner Zukunft ist.“