I en ny Naturfysik Undersøgelse har forskere fremlagt bevis for universel konform invarians i levende biologiske celler. De viser, at et universelt træk i den kollektive opførsel opstår i grupper af levende celler.
Forskerne studerede fire cellulære systemer for at finde bevis for universel konform invarians. På trods af at de blev adskilt af milliarder af års udvikling, fandt forskerne, at alle fire systemer genererede hvirvellignende strømningsmønstre med identiske statistiske egenskaber.
LektieForum talte med en af undersøgelsens medforfattere, Dr. Amin Doostmohammadi, lektor ved Copenhagen University.
“Når du rører en kop vand, ser du boblepools form og forsvinder. Der sker noget lignende, når bakterier eller humane celler bevæger sig kollektivt; de danner også hvirvlende mønstre,” forklarede han.
“Det, der var forbløffende for os, var at finde ud af, at disse meget forskellige celletyper alle udviser en skjult symmetri kendt som konform invarians i deres hvirvlende mønstre. Dette betyder, at deres kollektive bevægelse følger de samme statistiske mønstre, selv når du zoomer ind eller ud, strækker sig eller omformer dem.”
Kollektiv adfærd og CFT
Kollektiv bevægelse opstår på grund af de specifikke egenskaber for de individuelle bestanddele. Dette inkluderer deres interaktion, bevægelse og respons på stimuli.
De resulterende nye egenskaber varierer fra system til system, hvilket gør det udfordrende at studere universelle principper for kollektiv bevægelse – hvis de er til stede.
I tidligere undersøgelser har forskere været i stand til at identificere universel adfærd i nærheden af kritiske regimer i livløse systemer som metal- eller legeringsmaterialer.
Disse universelle adfærd er beskrevet af Conformal Field Theory (CFT), en stærk matematisk ramme. CFT kan anvendes til skala-invariant og vinkelbevarende systemer, som ofte ses på kritiske punkter (som faseændringer).
“At forstå, hvordan Living Matter arrangerer sig selv, er en af de største uløste gåder inden for videnskab. Vores inspiration kom fra et dristigt spørgsmål: Kunne der være universelle love, der ligner dem i fysik, der styrer, hvordan celler selvorganiserer?” sagde Dr. Doostmohammadi.
Analyse af fire forskellige levende systemer
Forskerne undersøgte cellerne af vildtype Pseudomonas aeruginosa-bakterier, en mutant stamme af de samme bakterier, madin-darby hunde-nyreceller og aggressive humane brystkræftceller.
De fire systemer repræsenterer en lang række celletyper (eukaryoter og prokaryoter) med forskellige bevægelsesmekanismer og cellulære egenskaber.
For hvert system skabte forskerne monolag af celler og spurgte deres bevægelse ved hjælp af billeddannelse i høj opløsning. De resulterende hastighedsfelter blev derefter analyseret for at beregne vorticiteten, hvilket repræsenterer den lokale rotation på et tidspunkt.
For nulvorticitetsregionerne – som repræsenterer grænsen, hvor systemets rotationsadfærd ændrer sig – udførte de matematiske analyser. Disse omfattede måling af fraktaldimensionen, testning, hvis konturerne følger Schramm-Loewner Evolution (SLE) og beregner viklingsvinkler.
“SLE er en teori, der typisk bruges i fysik til at beskrive perkolation, magnetisme og endda aspekter af kvantetyngdekraft,” sagde Dr. Doostmohammadi.
I SLE er i overensstemmelse med ufravikelige kurver kendetegnet ved en enkelt parameter κ, der identificerer specifikke universalitetsklasser, der udviser lignende fremvoksende adfærd.
Forskerne udviklede også en simpel beregningsmodel til at rekapitulere de samme mønstre, der blev set i de fire systemer, hvilket antyder, at disse universelle egenskaber fremgår naturligt fra kollektiv dynamik uanset cellulære detaljer.
Perkolations universalitetsklasse
Forskerne fandt, at parameteren K blev målt til at være seks for alle fire systemer. Dette hører til klassen til perkolations universalitet – den samme klasse, der beskriver bevægelsen af partikler eller væsker gennem et porøst medium, som vand, der flyder gennem en porøs klippe.
“Denne opdagelse antyder, at Living Matter på et grundlæggende niveau organiserer sig i henhold til universelle love – love, der gælder på tværs af livets træ, fra bakterier til humane celler med meget forskellige biologi og meget forskellige morfologier,” bemærkede Dr. Doostmohammadi.
Denne konstatering af universel konform invarians broer biologi med begreber om teoretisk matematik og fysik.
Denne universalitet er endnu mere bemærkelsesværdig i betragtning af at disse biologiske systemer fungerer langt fra ligevægt, hvilket konstant indgår energi til at opretholde deres bevægelse – i modsætning til ligevægtstilstandene, hvor en sådan universel opførsel typisk observeres i fysik og matematik.
Ser man på fremtiden, påpeger Dr. Doostmohammadi, at dette arbejde kan hjælpe med at forbedre vores forståelse af kræftprogression, sårheling og vævsudvikling. Derudover kan det inspirere til nye metoder inden for syntetisk biologi og regenerativ medicin.
Ikke kun det, men disse biologiske systemer kan nu tjene som eksperimentelle platforme til at teste forudsigelser fra CFT, der primært har været begrænset til teoretiske og numeriske simuleringer.