Mithilfe physikalischer Prinzipien verstehen, wie sich Zellen in der Entwicklung selbst sortieren

Erin McCarthy ’23, Physik summa cum laude, ist eine Seltenheit unter jungen Wissenschaftlern. Als Bachelor-Forscherin am Department of Physics des College of Arts & Sciences der Syracuse University leitete sie eine Studie erschien im März 2024 in Briefe zur körperlichen Untersuchung. Es ist die am häufigsten zitierte Zeitschrift für Physikbriefe und die am achthäufigsten zitierte Zeitschrift in der Wissenschaft insgesamt.

McCarthy und die Postdoktoranden Raj Kumar Manna und Ojan Damavandi entwickelten ein Modell, das ein unerwartetes kollektives Verhalten zwischen Computerteilchen identifizierte, das Auswirkungen auf die zukünftige medizinische Grundlagenforschung und Biotechnik hat.

„Es ist sehr schwierig, eine Arbeit zu bekommen Briefe zur körperlichen Untersuchung„, sagte M. Lisa Manning, Co-Autorin und William R. Kenan, Jr. Professorin für Physik sowie Gründungsdirektorin des BioInspired Institute an der Syracuse University. „Ihre wissenschaftlichen Kollegen müssen es als außergewöhnlich beurteilen.“

McCarthy, eine gebürtige New Jerseyerin, wählte Syracuse wegen seiner „enormen Energie“, sagte sie. „Die pädagogische und forschungstechnische Seite war großartig. Ich hatte vor, ein Physik-Studium mit Abschluss zu absolvieren. Ich liebte Physik und Biologie und wollte mich im Gesundheitswesen und in der Medizin engagieren. Und ich hatte das Glück, dass ich mich kennengelernt habe Dr. Manning als Studienanfängerin, und sie führte mich in die computergestützte Biophysik ein. Ich habe in meinem ersten Studienjahr mit der Forschung begonnen, was äußerst ungewöhnlich ist.“

„Erin lernte das Programmieren von der Pike auf und führte dann stundenlange Simulationen durch, die viel Ausdauer erforderten“, sagte Manning. „Es ist einfach ein fantastischer Beweis ihrer Arbeitsmoral und Brillanz, dass dieser Artikel in einer so renommierten Zeitschrift erschienen ist.“

Das Forschungsteam verwendete computergestützte physikalische Modelle, um die zugrunde liegenden Mechanismen herauszufinden, die dazu führen, dass sich Partikel spontan in verschiedene Gruppen sortieren.

Das Erlernen des Verhaltens von Partikeln in physikalischen Modellen könnte Aufschluss darüber geben, wie lebende biologische Partikel – Zellen, Proteine ​​und Enzyme – sich in der Entwicklung neu vermischen.

In den frühen Stadien eines Embryos beispielsweise liegen die Zellen zunächst in heterogenen Mischungen vor. Zellen müssen sich selbst in verschiedene Kompartimente sortieren, um unterschiedliche homogene Gewebe zu bilden. Dies ist eines der wichtigsten kollektiven Zellverhalten bei der Entwicklung von Geweben und Organen sowie der Organregeneration.

„Zellen müssen in der Lage sein, sich richtig zu organisieren und sich abzugrenzen, um ihre Arbeit zu erledigen“, sagte McCarthy. „Wir wollten verstehen, welche Mechanismen diese Umstrukturierung spontan bewirken können, wenn man die Chemie außer Acht lässt und sich ausschließlich mit der Physik beschäftigt?“

Frühere physikalische Untersuchungen ergaben, dass sich Teilchen trennen, wenn einige einem Stoß höherer Temperatur ausgesetzt sind. Wenn einer Teilchenpopulation in kleinem Maßstab Energie zugeführt wird, wird sie aktiv – oder „heiß“ –, während die andere Population inaktiv oder „kalt“ bleibt. Dieser Wärmeunterschied führt zu einer Neuorganisation zwischen den beiden Populationen. Bei diesen Modellen handelt es sich um vereinfachte Versionen biologischer Systeme, bei denen die Temperatur zur Annäherung an zelluläre Energie und Bewegung genutzt wird.

„Heiße Teilchen verdrängen die kalten Teilchen, sodass sie einen größeren Raum einnehmen können“, sagte Co-Autor Manna. „Aber das passiert nur, wenn zwischen den Teilchen eine Lücke besteht.“

Frühere Modellierungen identifizierten selbstsortierendes Partikelverhalten bei weniger gepackten, mittleren Dichten.

Aber das Syracuse-Team fand etwas Überraschendes. Nachdem Energie in eine Population hochdichter Teilchen injiziert wurde, schoben die heißen Teilchen die kalten nicht herum. Dafür fehlte den heißen Teilchen der Platz.

Das ist wichtig, weil biologische Partikel – Proteine ​​in Zellen und Zellen in Gewebe – typischerweise in engen, überfüllten Räumen leben.

„Ihre Haut ist zum Beispiel eine sehr dichte Umgebung“, sagte McCarthy. „Zellen sind so eng aneinander gepackt, dass zwischen ihnen kein Platz ist. Wenn wir diese physikalischen Erkenntnisse auf die Biologie anwenden wollen, müssen wir hohe Dichten berücksichtigen, damit unsere Modelle anwendbar sind. Bei sehr hohen Dichten ist jedoch der Unterschied in der Aktivität zwischen zwei.“ Populationen führen nicht dazu, dass sie sortiert werden.

In der Biologie muss ein anderer Selbstsortierungsmechanismus im Spiel sein. „Temperatur oder aktive Energiezufuhr trennen nicht immer Dinge, daher kann man sie in der Biologie nicht nutzen“, sagte Manning. „Sie müssen nach einem anderen Mechanismus suchen.“

Für Manning veranschaulicht diese Studie die Stärken der Syracuse University. „Die Tatsache, dass ein Student die Leitung dieser Forschung übernommen hat, zeugt von der großartigen Qualität unserer Studenten an der Syracuse University, die so gut sind wie alle anderen auf der Welt, und von der Außergewöhnlichkeit von Erin selbst“, sagte Manning.

Manna, der Postdoktoranden-Mentor für den letzten Teil von McCarthys Projekt, war maßgeblich daran beteiligt, es zum Abschluss zu bringen. „Ohne ihn wäre die Studie nicht zustande gekommen“, sagte Manning. „Dies zeigt, dass wir in der Lage sind, herausragende Postdoktoranden für Syracuse zu rekrutieren, weil wir eine so großartige Forschungsuniversität sind.“ Manna ist jetzt Postdoktorandin am Fachbereich Physik der Northeastern University.

McCarthy, ein Forschungstechnologe in einem biologischen Labor an der Northwestern University School of Medicine, plant, sich für ein Graduiertenstudium zu bewerben.

„In Syracuse“, sagte McCarthy, „habe ich gelernt, wie sehr ich Forschung liebe und möchte, dass sie Teil meiner Zukunft ist.“