スマーティーパンツの粘菌は、迷路を解いて東京の鉄道システムに似た図を作成することができます。科学者は、癌の治療にも役立つ可能性があることを示唆しています。ドイツとシンガポールの生物物理学者は、粘菌の行動に基づく数学的モデルが、腫瘍の血液を枯渇させる新しい方法につながる可能性があることを示唆しています。
粘菌 Physarum polycephalum 、通常は腐った丸太の中で成長しているのが見られ、その端から細い巻きひげのネットワークを伸ばして食物を探します.カビが腐敗した植物や微生物などの食物を見つけると、その上で成長し、消化酵素を分泌します. P.多頭症 次に、食物源間の相互接続の精巧なネットワークを構築し、栄養素を往復できるようにします.
2010 年、現在は日本のはこだて未来大学に在籍する数理生物学者の中垣俊之氏と彼の同僚は、このネットワーキングの動作が効率的な都市計画にどのように変換されるかを観察しました。彼らは、食料源が人口密集地を表す東京周辺地域の縮尺モデルも含む実験室培養にカビを配置しました。彼らが発見した粘菌の巻きひげは、東京の鉄道システムのレイアウトに非常によく似た相互接続を生み出した.
しかし、それはカビの初期の成長であり、精巧な採餌ネットワークを形成する前であっても、腫瘍がどのように血液を供給するかを理解する手がかりとなる可能性があります.粘菌は、孤立した胞子の集まりとして始まります。それらが外側に成長するにつれて、胞子は出会い、融合して島になります。島々は、最終的に他の島々に出会う蔓を送り出します。それらが出会うと、それらは再び融合し、最終的に大きな単細胞生物を形成し、体全体に液体を輸送できるようになります.これには数学用語があります。それぞれ独自の輸送システムを持つ個別のネットワークが十分に相互接続され、流体やその他の物質がネットワーク間を自由に移動できるようになるポイントは、「パーコレーション遷移」と呼ばれます。
浸透遷移の数学モデルを構築するために、ドイツのブレーメン大学とシンガポールのメカノバイオロジー研究所の Adrian Fessel、Hans-Günther Döbereiner、および同僚は、実験室で粘菌が成長する方法を研究しました。これらの接続がどのように形成され、その移行がいつ発生するかを理解することは、実用的なアプリケーションになる可能性があると Döbereiner 氏は言います。生き残り成長するために、腫瘍は血液供給を必要とします。多くの侵襲性の高い腫瘍は、健康な組織の血液供給に接続する前に、成長、会合、融合する腫瘍幹細胞から完全に新しい血管系を構築することができます.接続のプロセスは粘菌の浸透遷移と数学的に同一であるため、後者の数学モデルは両方に等しく有効であるはずです、と彼は言います。
カビの巻きひげが互いに近づいて結合するにつれて、研究者はネットワーク図 (地下鉄の地図など) を使用して巻きひげ間の接続を追跡しました。彼らは、特定の駅にサービスを提供する地下鉄路線の数に似た「相互接続性」の測定値を取得するために、各ノードから放射された接続の数を記録しました。 フィジカル レビュー レターへの書き込み 科学者たちは、ノードとラインが特定の独特のパターンに陥ったときに、複数のカビの島から相互接続されたネットワークへの移行 (パーコレーション移行) が常に発生することを発見しました。全体的なノードの数に関係なく、重要なのは、そのうちのいくつが正確に 3 つのエマージング ラインを持ち、いくつが 1 つのエマージング ラインを持ち、いくつのノードが完全に分離されたままであるかでした。これら 3 つの数値の 1 つの特定の比率では、パーコレーション遷移が常に発生しました。
「結果は非常に興味深く斬新です」と、現在の研究には関与していない中垣氏は言います。
腫瘍の血液を飢えさせることは、がんを攻撃するための重要な方法であるため、Döbereiner は、血管ネットワーク形成に関する研究者の洞察が、いつの日か腫瘍の血液供給の発達を阻害し、その成長を抑制する方法につながることを望んでいます。彼らのモデルが血管の成長に適用できることを実証するために、研究者らは、他の研究者が行った血管網の成長に関する 2003 年の実験室での研究の結果を、粘菌由来の数学的モデルを使用して再現できることを示しました。
その 2003 年の研究を再現することは、彼らのモデルが粘菌を超えて適用できることを示す有用な実証ではあるが、Döbereiner は、数学的な観点から、そのような実証はやや冗長であると指摘している.粘菌の増殖と血管網の増殖という 2 つの状況は数学的に同等であり、一方に機能するモデルは他方にも機能する必要があると彼は言います。 「（血管網を使って）その実験をしなかったとしても…数学的に抜け道はありません！」
