初期の臓器、交通渋滞、ビールグラスの上部にある泡の頭の共通点は何ですか? Nature に掲載された結果によると、予想をはるかに上回っています 今月上旬。一連の巧妙な最先端の技術を使用して、科学者は初めて、発生中の胚の組織を形成する物理的な力のバランスを明らかにしました。そして、彼らが特定したプロセスは驚くほどよく知られていることが判明しました — 生物学におけるその役割のためではなく、物理学者が歯磨き粉からガラスに至るまでの多くの物質を理解する方法に革命を起こす役割を果たしたからです.
カリフォルニア大学サンタバーバラ校の生物物理学者である Otger Campàs が率いるチームは、魚の胚で体の長軸を確立する力を研究しました。彼らは、発生のこの重要な段階が、ジャミング遷移として知られているものによって支配されていることを発見しました.尾になるものの先端では、細胞は流体のように互いに自由に流れることができます.最終的にはより固体のように振る舞います。これらの違いにより、体がどのように伸び、その軸に沿ってさまざまな構造がどのように彫刻されるかが決まります.
物理学者は、過去 20 年間、無生物系のジャミング理論を研究してきました。彼らは、ガラス、コロイド、フォームなどの材料が、完全に固体でも流体でもない、平衡から離れた状態に閉じ込められることを発見しました。その結果、シャボン玉、砂粒、ポリマー内の分子など、基本単位がまったく同じままであっても、流体のように集合的に流れたり、固体内の粒子のように詰まったりすることがあります. (同じ方程式は、たとえば交通中の車の挙動も表します。)
ソフトマターの物理学者は、これらのシステムを特徴付ける 3 つの基準を明らかにしました:粒子間にどれだけの空きスペースが存在するか、粒子がどれだけ密集しているか、そして粒子がどれだけ振動できるかです。
Campàs と彼の同僚は、発生中のゼブラフィッシュ胚の頭から尾までのさまざまな領域で 3 つの特性すべてを測定し、細胞が詰め込まれ、その行動が変化する方法もジャミングの理論に適合することを示しました。以前は、科学者たちは、細胞は本質的に微調整された力を発揮し、ここでより多くの応力を加え、そこにはより少ない応力を加えて、彫刻家が粘土を成形するようにすべてを所定の位置に導くと考えていました. 「代わりに、彫刻が必要な部分を液化してから、新しい形を設定するのと同じように、ガラスを吹き飛ばすようなものです.
胚組織で働いているこれらの力を実証し、測定するために必要な技術を開発するのに8年かかりました.研究者はまず、先端がわずか10ミクロンの小さなガラス針を使用して、胚の細胞間に強磁性流体の単一液滴を注入しました。ゼブラフィッシュが発達するにつれて、科学者は液滴の形状がどのように変化するかを測定し、細胞が互いに積極的に加えた力の強さを決定できるようにしました.次に、磁場をオンにして液滴自体を制御し、磁場をオフにすると、液滴が以前の球形に完全には戻らないことを発見しました。したがって、彼らは、組織を永久に変形させるのに必要な応力 (降伏応力とも呼ばれます) の量も測定することができました。
これらの量は、これまで生物系で得られたことはありませんでした。実際、そのような測定が不活性材料で達成されることはめったにありませんでした (ただし、Campàs 氏は、今後、これらのシステムでも液滴法を使用できると述べています)。
胚の尾部に向かって、降伏応力はアクティブな細胞の力よりも低く、細胞間にはより多くのスペースがあり、細胞が揺れたり流れたりして、組織を局所的に「溶かし」、成形しました.しかし、頭部に近づくと、セル間のギャップが閉じて降伏応力が増加し、セルのアクティブな力が弱すぎて克服できなくなりました。組織が硬化した。 「車を運転しているようなもので、[アクティブなセルラー] の力がガスであり、ジャミング トランジションがブレーキです」と Campàs 氏は言います。
言い換えれば、「ジャミングの観点から見れば、これは真の流体から固体への移行です」と、バルセロナの欧州分子生物学研究所の生物工学者である Vikas Trivedi 氏は述べていますが、彼はこの研究には関与していません。 「ジャミング遷移のような単純なものが、動物の発生にとって非常に基本的な軸形成のプロセスを駆動することができるということは、生物学的システムにとってはまったく新しいことです」と彼は言いました。
ジャミング遷移を明らかにするだけでなく、測定により、組織が石鹸の泡やビールの泡のような振る舞いをすることが示されました。組織を泡としてモデル化するというアイデアは、数理生物学のパイオニアの 1 人である D'Arcy Thompson の研究に 100 年前にさかのぼります。
この作業は、他の生物学的状況におけるジャミングに関する進行中の研究にも情報を提供する立場にあります。シラキュース大学のリサ・マニングのような物理学者は、モデリング技術を使用して、細胞が隙間なく密集する平らな組織のように、密度と空間が要因ではない細胞系のジャミング遷移を調べました。彼らは、細胞の形状だけで、組織の領域が液体のように振る舞うか固体のように振る舞うかを予測できることを発見しました.
ハーバード大学の生物物理学者であるジェフリー・フレッドバーグは、マニングの予測を、培養系と最近ではショウジョウバエの胚の両方で確認しました。カンパスの調査結果は、その作業を 2 次元から 3 次元にもたらしました。 「細胞ジャミングのこの考えは、発達の2つの生きたモデルで実証されたので、それは単なるまぐれではないことは明らかです」とFredbergは言いました. 「これはすべての細胞生物学にとって基本的なことです。」
また、マニングとフレッドバーグが研究した二次元シートと、カンパスが扱った三次元組織の挙動にも興味深い違いがあります。マニングの実験では、細胞間の接着性または粘着性が高いほど、ジャミングが少なくなりました。これは、カンパスのグループが観察したものとは反対です。これらの違いは、「流体から固体への移行はあらゆる場所で使用されていますが、細胞がそれらの移行を駆動するために使用できるいくつかの異なるメカニズムがあることを示唆しています」とマニングは言いました. 「圧力や温度を変えることでコップ一杯の水を凍らせることができるのと同じです。」
Campàs、Manning、Fredberg はいずれも、他の場所でもジャミング遷移が見られることを期待しています。たとえば、臓器の形成や、ジャミングを解除することで細胞の集まりが固形腫瘍から離れて移動できるようになる癌の転移 (研究者がすでにそのヒントを目にしている) などです。 . 「ジャミングに関しては、多くのシステムを再検討する必要があります」と Fredberg 氏は述べています。
最初のステップは、Campàs が観察したメカニズムがどの程度保存されているかを判断することです:他の種もそれを使用しているかどうか、そしてそれが発達中の組織と成体組織の両方で発生しているかどうか — 遺伝子がどのように影響するかは言うまでもありません.
「この移行は、あらゆる場所で使用されるパラダイムになる可能性があると思います」とマニング氏は述べています。
