맥주 유리 상단의 초기 기관, 교통 체증 및 거대한 거품 머리는 공통점이 있습니까? Nature 에 발표 된 결과에 따르면 예상보다 훨씬 더 이번 달 초. 처음으로, 일련의 영리하고 최첨단 기술을 사용하여 과학자들은 배아를 개발할 때 조직을 형성하는 물리적 힘의 균형을 발견했습니다. 그리고 그들이 확인한 과정은 놀랍게도 친숙한 것으로 밝혀졌습니다. 생물학에서의 역할이 아니라 물리학자가 치약에서 유리에 이르기까지 다양한 재료를 이해하는 방법을 혁신하는 데있어 혁신을위한 것입니다.
산타 바바라 (Santa Barbara) 캘리포니아 대학교의 생물 물리학자인 오거 캠페이 (Otger Campàs)가 이끄는이 팀은 신체의 장축을 설정하는 물고기 배아의 세력을 연구했습니다. 그들은이 중요한 개발 단계가 재밍 전환으로 알려진 것에 의해 지배된다고 밝혔다. 꼬리가되는 일의 끝에서, 세포는 유체처럼 자유롭게 흐를 수 있지만 머리에 가까워지면 점점 더 잼이되고 결국 고체처럼 행동한다. 이러한 차이는 차례로 신체의 길쭉한 방법과 그 축을 따라 다양한 구조를 조각 할 수있는 방법을 결정합니다.
물리학 자들은 지난 20 년 동안 무생물 시스템에서 방해 이론을 연구 해 왔습니다. 그들은 유리, 콜로이드 및 폼과 같은 재료가 완전히 고체 나 유체가 아닌 평형에서 멀리 떨어진 상태에 갇히는 것을 발견했습니다. 결과적으로, 비누 거품, 모래 또는 분자의 분자에 관계없이 기본 단위가 정확히 동일하게 유지 되더라도 때로는 유체처럼 유체처럼 흐르거나 입자처럼 잼이있을 수 있습니다. (동일한 방정식은 또한 교통량의 자동차의 행동을 설명합니다.)
소프트 물리 물리학 자들은 이러한 시스템을 특징 짓는 세 가지 기준을 발견했습니다. 입자 사이에 빈 공간이 얼마나 많이 존재하는지, 입자가 얼마나 밀도있는 지, 입자가 얼마나 많이 흔들릴 수 있는지.
Campàs와 그의 동료들은 개발중인 얼룩말 물고기 배아의 여러 지역에서 세 가지 속성을 모두 측정했으며, 세포가 포장되고 행동을 바꾸는 방식도 재밍 이론에 적합하다는 것을 보여주었습니다. 이전에는 과학자들이 세포가 본질적으로 미세 조정되어 조각가 성형 점토처럼 모든 것을 제자리에 안내하기 위해 여기에 더 많은 스트레스를 적용한다고 생각했습니다. Campàs는“대신에 유리를 부는 것과 비슷합니다.
배아 조직에서 작업에서 이러한 힘을 입증하고 측정하는 데 필요한 기술을 개발하는 데 8 년이 걸렸습니다. 연구원들은 먼저 작은 유리 바늘을 사용했으며, 팁은 배아 세포 사이에 단일 강자성 액체를 주입하기 위해 팁을 사용했습니다. 얼룩말 물고기가 발달함에 따라 과학자들은 액적의 모양이 어떻게 변하는 지 측정하여 세포가 서로 적극적으로 적용된 힘의 강도를 결정할 수있었습니다. 그런 다음 방울을 제어하기 위해 자기장을 켜고 필드를 끄면 액적이 이전의 구형 모양으로 완전히 돌아 오지 않았다는 것을 알았습니다. 따라서 그들은 조직을 영구적으로 변형시키는 데 필요한 스트레스의 양을 측정 할 수있었습니다 (항복 응력이라고도 함).
이 양은 전에 생물학적 시스템에서 얻은 적이 없었습니다. 실제로, 그러한 측정은 불활성 재료에서 거의 달성되지 않았다 (Campàs는 앞으로도 해당 시스템에서도 액적 방법을 사용할 수 있다고 말했다).
.배아의 꼬리 끝을 향해, 항복 응력은 활성 세포 력보다 낮았으며, 세포 사이에 더 많은 공간이 있었고, 이들이 흔들리고 흐르고, 국소 적으로 "용융"하고 조직을 성형 할 수있게했다. 그러나 머리에 가까워지면서 세포 사이의 간격이 닫히고 항복 응력이 증가하여 세포의 활성 힘이 너무 약해서 극복하기에는 너무 약해졌습니다. 조직이 강화되었습니다. Campàs는“자동차를 운전하는 것과 같고 [활성 셀룰러] 힘은 가스이며, 재밍 전환은 브레이크입니다.
다시 말해, 바르셀로나의 유럽 분자 생물학 실험실의 생물 공학자 인 Vikas Trivedi는“이 연구에 관여하지 않은 바이오스 트라이브스 (Vikas Trivedi)는“방해 관점에서 진정한 유체 대 공급 전환이다. "방해 전환만큼 단순한 것은 동물 발달의 기본이되는 축 형성의 과정을 이끌어 낼 수 있습니다."라고 그는 말했다.
재밍 전이를 드러내는 것 외에도 측정은 조직이 비누 비누 또는 맥주 거품과 같은 행동을한다는 것을 보여주었습니다. 폼으로서 조직을 모델링한다는 아이디어는 100 년으로 거슬러 올라가며, 수학적 생물학의 개척자 중 하나 인 D 'Arcy Thompson의 작품으로 거슬러 올라갑니다. 그러나 이제 과학자들은 그러한 이해가 의미있는 방식으로 생물학에 추가 될 수 있다는 증거를 가지고 있습니다.
이 연구는 또한 다른 생물학적 맥락에서 방해에 대한 지속적인 연구에 정보를 제공하는 것입니다. 시러큐스 대학교의 Lisa Manning과 같은 물리학 자들은 모델링 기술을 사용하여 밀도와 공간이 인수가 아닌 세포 시스템의 방해 전환을 조사했습니다. 그들은 세포 모양만으로도 조직 영역이 유체 또는 고체처럼 작용할 것인지 예측할 수 있음을 발견했습니다.
하버드 대학교의 생물 물리학자인 제프리 프레드 버그 (Jeffrey Fredberg)는 배양 시스템과 최근에는 과일 플라이 배아에서 매닝의 예측을 확인했습니다. Campàs의 연구 결과는 그 작품을 두 차원에서 3 개로 가져 왔습니다. Fredberg는“이제 세포 재밍에 대한이 아이디어가 두 가지 살아있는 개발 모델에서 입증되었으므로 분명히 우연이 아닙니다. “모든 세포 생물학의 기본입니다.”
Manning과 Fredberg가 연구 한 2 차원 시트의 행동과 Campàs가 함께 일한 3 차원 조직의 행동에는 흥미로운 차이가 있습니다. 매닝의 실험에서 세포 사이의 더 큰 접착력 또는 끈적 끈적한 점은 캠프의 그룹이 관찰 한 것과 반대되는 방해를 줄였습니다. 이러한 차이점은“유체에서 고고 전이가 사방에 사용되지만 세포가 이러한 전환을 유도하는 데 사용할 수있는 여러 가지 메커니즘이 있습니다. "압력을 바꾸거나 온도를 바꾸어 물 한 잔을 얼릴 수있는 것처럼."
.Campàs, Manning 및 Fredberg는 모두 다른 곳에서도 재밍 전이를 볼 것으로 예상합니다. 예를 들어 장기의 형성과 jamming이 고형 종양으로부터 멀어 질 수있는 세포 수집이 가능하는 전이 암 (연구자들이 이미 힌트를보고 있음). 프레드 버그는“많은 시스템이 재밍의 맥락에서 재검토해야 할 것”이라고 말했다.
첫 번째 단계는 캠프가 관찰 된 메커니즘이 어떻게 보존 된지를 결정하는 것을 의미 할 것입니다. 다른 종들도 그것을 사용하는지 여부와 발달 및 성인 조직에서 발생하는지 여부는 유전자가 어떻게 영향을 미치는지 말할 것도 없습니다.
매닝은“이 전환은 어디에서나 사용되는 패러다임이 될 수 있다고 생각합니다.
