«Наше исследование смотрит на то, как клетки буквально чувствуют свой путь через окружающую среду, такую как мышца или кость», сказал Нед Уингрин, профессор Говарда А. Прайора Принстона в Науках о жизни и преподаватель молекулярной биологии и Института Льюиса-Сиглера Интегральной Геномики. «Эти ткани высоко приведены в беспорядок в клеточном масштабе, и клетка может только сделать измерения в непосредственной близости вокруг этого», сказал он. «Мы хотели смоделировать этот процесс». Исследование было опубликовано онлайн 18 июля в журнале Nature Communications.
Органы и ткани тела запутаны в богатой волокном структуре, известной как внеклеточная матрица, которая обеспечивает леса для клеток, чтобы жить, переместиться и дифференцироваться, чтобы выполнить определенные функции. Клетки взаимодействуют с этой матрицей, расширяя липкие белки из поверхности клеток, чтобы надеть соседние волокна.
Предыдущая работа, главным образом используя искусственные плоские поверхности, показала, что клетки могут использовать эту осязательную обратную связь, чтобы определить эластичность или жесткость в процессе, названном mechanosensing. Но потому что волокна естественной матрицы все связаны в смешанной, трехмерной сети, не было ясно, сколько полезной информации клетка могла подобрать из чувства ее непосредственной среды.Чтобы узнать, исследователи построили компьютерное моделирование, которое подражало типичной клетке в матрице, сделанной из белка коллагена, который найден в коже, костях, мышцах и соединительной ткани.
Команда также смоделировала клетку в сети фибрина, сильный, волокнистый белок, который составляет тромбы. Чтобы точно захватить состав этих сетей, исследователи работали с Чейзом Броедерсзом, бывший Принстон Товарищ Льюиса-Сиглера, который является теперь преподавателем физики в Людвиге-Максимилианс-Универзити, и его коллегах Луизе Джейрт и Стефане Манстере, чтобы сначала создать физические модели матриц, используя подходы, первоначально развитые в группе сотрудника Дэвида Вейца, биолога систем в Гарвардском университете. Аспирант Принстона Фарзэн Бероз тогда использовал те модели, чтобы воссоздать виртуальные версии коллагена и сетей фибрина в компьютерных моделях.
С этими виртуальными сетями Beroz, Броедерсз и Уингрин могли тогда задать вопрос: клетки могут подобрать полезную информацию об эластичности или жесткости их среды, чувствуя их среду? Если бы ответ да, то открытие пролило бы свет на то, как клетки могут измениться в ответ на ту среду. Например, работа могла бы помочь объяснить, как раковые клетки в состоянии обнаружить, что они прибыли в орган, у которого есть правильный тип лесов, чтобы поддержать рост опухоли, или как клетки, которые прибывают в рану, знают, чтобы начать прятать белки, чтобы способствовать исцелению.
Используя математику, вычислили исследователи, как сети исказят, когда соседние волокна будут надеты клетками. Они нашли, что и коллаген и сети фибрина содержали конфигурации волокон с удивительно широкими диапазонами коллективной жесткости от довольно сгибаемого до очень твердого, и что эти регионы могли немедленно быть друг рядом с другом.
В результате у клетки могло быть два соседних исследования, посредством чего каждый обнаруживает твердость, и другой обнаруживает мягкость, мешающую клетке учиться mechanosensing, какую ткань это населяет. «Мы были удивлены найти, что среда клетки может измениться довольно много даже через маленькое расстояние», сказал Уингрин.Исследователи пришли к заключению, что, чтобы получить точную оценку ее среды, клетка должна переместить и также изменить форму, например удлинившись, чтобы покрыть другую область матрицы. «Что мы нашли в нашем моделировании, соответствует тому, что нашли экспериментаторы», Уингрин сказал, «и показывает новые, ‘интеллектуальные’ стратегии, которые клетки могли использовать, чтобы чувствовать их путь через окружающую среду ткани».