ある研究では、密集した細胞は成長を遅らせることによって同心円を形成することがわかりました。Scott Weady のチームのモデルは、有害な微生物の増殖を管理するのに役立ちます。他の多くの生物と同様に、細胞は寄せ集めの細胞で混雑するとストレスを感じます。しかし、他の生命体とは異なり、細胞が密集した隣の細胞から物理的ストレスを受けると、その成長速度を劇的に低下させ、その過程で美しい同心円のパターンを形成することでストレスを軽減することができます。
Physical Review Letters に掲載された新しい研究では、分裂する細菌コロニーのシミュレーションとモデル化による発見について説明しています。この研究の筆頭著者であり、ニューヨーク市にあるフラットアイアン研究所計算生物学センターの研究者であるスコット・ウィーディ氏は、この洞察は感染や製造プロセス中に有害な微生物の増殖を遅らせるための新たな戦略を提供する可能性があると述べた。
「このような機械的ストレス下で細胞がどのように成長を遅らせることができるのかを知り、本当に驚きました」とヴェディ氏は語った。 「興味深いのは、それらが同心円を形成していることです。各リングは周囲の細胞によってどれだけ窒息されているかを示しており、それが最終的にどれだけ大きく成長できるかに影響を与えます。これは非常に単純なルールから来る強力なパターンです。ただ、これまで誰もそれを実際に測定しようと考えていなかったというだけです。」
ウェイド氏は、フラットアイアン研究所の研究者であるブライス・パーマー氏、アダム・ラムソン氏、レザー・ファルハディファール氏、マイケル・シェリー氏、およびパデュー大学のテユン・キム氏とこの研究を共同執筆した。
ウェイド氏の研究グループは生物物理学モデリング、つまりウェイド氏の言葉を借りれば、小規模なルールが大規模な行動をどのように支配するかを研究することに興味を持っている。今回の場合、彼のチームは細胞増殖、つまり細胞が分裂してより多くのコピーを作成するプロセスを研究したいと考えました。
チームは、細菌コロニーの増殖をシミュレーションするための探索的アプローチから開始しました。当初、彼らは細胞サイズの制御などのより一般的な対策を検討していましたが、その後、あるパターンに気づき始めました。
通常、細胞は指数関数的に増殖します。1 つの細胞が 2 つに分裂し、その子孫が 2 つに分裂するというように、ますます増加する速度で増殖します。しかし、チームはシミュレーションで、細胞が予想どおりに分裂しないことに気づきました。実際、発見した環境がより混雑するにつれて、細胞の増殖は大幅に遅くなりました。
「最初は 1 つの細胞から始まり、圧力はほとんど感じられません。その後、細胞は分裂し、それらの細胞が分裂します。中心に近い細胞には、より多くの圧力がかかるため、ますますストレスがかかり、成長が遅くなります。そのため、円の端に向かうにつれて、同心円のように見える不均一なストレスに敏感なバンドが得られます。」
初期の研究は、比較的少数の細胞内で増殖プロセスがどのように進行するかを示す粒子シミュレーションに基づいていました。このデータに基づいて、研究チームは、非常に多数の細胞で増殖プロセスがどのように進行するかを推定できる、いわゆる連続体モデルを開発しました。
「粒子シミュレーションでは、何か離散的なものを見ることができます。この場合、時間の経過とともに細菌を追跡しています。しかし、連続体モデルは、粒子の数が非常に多いため、連続物質として表現できると仮定しているという点で動作が異なります。これは、このプロセスをより大規模に研究し、その堅牢性を理解するのに役立ちます。」とヴェディ氏は述べています。
興味深いことに、チームは、連続体モデルが粒子シミュレーションで見たものと密接に一致していることを発見し、彼らの予感が正しかったことを示唆しました。つまり、追い詰められた細胞はそれ自体の成長を遅らせ、その過程で静止パターンを作り出すということです。
細胞増殖は非常に基本的なプロセスであるため、非常に価値のある研究テーマですが、また、増殖中の細胞が有害な場合（細菌感染など）、有害な影響を引き起こす可能性があるためです。
「このプロセスがどのように自然に規制され、どのように制御されているかを理解することが非常に重要です」とウェイド氏は言う。 「私たちのモデルは、機械的ストレスに対する細胞の反応を強化する可能性のある環境要因を特定しており、これらの要因を促進すると指数関数的な増殖を遅らせることができます。このモデルは、ストレス、栄養素のアクセス、またはその他の手段による細胞の反応方法の摂動を研究するのに役立つツールだと思います。このようなモデルを使用してこれらの質問をする方法は非常に明確であり、これをより広範なスケールで可能にするため、エキサイティングだと思います。」
この研究で開発されたモデルは、他の細胞の挙動を研究するための基礎としても機能する可能性があります。
編集元/SciTechDaily