Klaustrophobische Zellen verlangsamen ihr eigenes Wachstum und bilden wunderschöne Muster konzentrischer Kreise

Wie bei so vielen Organismen auf dem Planeten kann es sein, dass Zellen einfach gestresst sind, wenn es zu einer Überfüllung auf Moshpit-Niveau kommt. Doch im Gegensatz zu den meisten anderen Lebensformen können Zellen, die physischem Stress durch das Zusammendrängen durch Nachbarn ausgesetzt sind, eine gewisse Erleichterung finden, indem sie ihr eigenes Wachstum drastisch verlangsamen – und so als spektakuläre Konsequenz ein auffälliges Muster aus konzentrischen Kreisen bilden.

Dieser Prozess, der durch Simulationen und Modellierung sich teilender Bakterienkolonien entdeckt wurde, wird in einem neuen Dokument beschrieben Studie veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchung. Die Ergebnisse könnten neue Wege aufzeigen, das Wachstum schädlicher Mikroorganismen bei Infektionen oder in der Produktion zu verlangsamen, sagt der Hauptautor der Studie, Scott Weady, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter am Center for Computational Biology des Flatiron Institute in New York City.

„Ich war auf jeden Fall überrascht zu sehen, dass Zellen unter dieser Art von mechanischem Stress das Wachstum auf diese Weise abschwächen können“, sagt Weady. „Es ist interessant, dass sie diese konzentrischen Kreise bilden, wobei jeder Ring zeigt, wie sehr sie von ihren Nachbarn unterdrückt wurden, was sich letztendlich darauf auswirkt, wie groß sie wachsen können. Es ist ein robustes Muster, das auf einer sehr einfachen Regel beruht, und es ist einfach etwas, das nein.“ man hatte eigentlich vorher daran gedacht, zu messen.“

Weady war Co-Autor der Studie zusammen mit den Forscherkollegen des Flatiron Institute, Bryce Palmer, Adam Lamson, Reza Farhadifar und Michael Shelley, sowie Taeyoon Kim von der Purdue University.

Ein tiefer Einblick in die Zellteilung

Weadys Gruppe interessiert sich für biophysikalische Modellierung – oder, wie er es ausdrückt, dafür, wie Regeln im kleinen Maßstab Verhaltensweisen im großen Maßstab steuern. In diesem Fall wollte sein Team die Zellproliferation untersuchen, den Prozess, bei dem sich Zellen teilen, um mehr Kopien von sich selbst anzufertigen.

Die Gruppe begann mit einem explorativen Ansatz und untersuchte Simulationen wachsender Bakterienkolonien. Am Anfang beschäftigten sie sich mit allgemeineren Maßnahmen wie der Regulierung der Zellgröße, bemerkten dann aber ein Muster.

Typischerweise ist der Zellproliferationsprozess exponentiell: Eine Zelle teilt sich in zwei Teile, und die Nachkommen teilen sich in zwei Teile usw., um immer schneller zu wachsen. In ihren Simulationen stellte das Team jedoch fest, dass sich die Zellen nicht wie erwartet teilten – tatsächlich verlangsamte sich ihre Proliferationsrate erheblich, je dichter ihre Umgebung wurde.

„Man beginnt mit einer einzelnen Zelle, die wenig oder gar keinen Stress verspürt. Dann teilt sie sich, und diese Zellen teilen sich, und die Zellen, die näher am Zentrum liegen, werden immer mehr gestresst, weil mehr Druck auf sie ausgeübt wird, und das führt dazu, dass sie ihre Aktivität verlangsamen.“ Wachstum“, sagt Weady. „Wenn man sich also dem Rand des Kreises nähert, erhält man diese Bänder ungleichmäßiger Spannungsempfindlichkeit, die sich als konzentrische Kreise manifestieren.“

Diese erste Arbeit basiert auf Partikelsimulationen, die veranschaulichen, wie der Proliferationsprozess in einer relativ kleinen Anzahl von Zellen abläuft. Basierend auf diesen Daten entwickelte das Team dann ein sogenanntes Kontinuumsmodell, das abschätzt, wie der Prozess in extrem vielen Zellen funktionieren könnte.

„Bei Partikelsimulationen betrachten Sie etwas Diskretes – in diesem Fall Bakterien, die Sie im Laufe der Zeit verfolgen“, sagt Weady. „Aber das Kontinuumsmodell funktioniert anders, indem es davon ausgeht, dass die Anzahl der Partikel sehr groß ist, sodass man es als kontinuierliches Material darstellen kann. Dies hilft uns, den Prozess in einem größeren Maßstab besser zu untersuchen und zu verstehen, wie robust er ist.“

Spannenderweise stellte das Team fest, dass ihr Kontinuumsmodell sehr gut mit dem übereinstimmte, was sie in den Partikelsimulationen sahen, was darauf hindeutet, dass ihre Vermutung wahr war: Zellen, die in eine Ecke gedrängt werden, verlangsamen ihr eigenes Wachstum und erzeugen dabei ein verblüffendes Muster.

Das Zellwachstum in den Griff bekommen

Es lohnt sich, die Zellproliferation zu untersuchen, weil es sich um einen so grundlegenden Prozess handelt, aber auch, weil die proliferierenden Zellen, wenn sie schädlich sind (denken Sie an eine bakterielle Infektion), schädliche Auswirkungen haben können.

„Es ist wichtig herauszufinden, wie der Prozess auf natürliche Weise reguliert wird und wie man ihn kontrolliert“, sagt Weady. „Unser Modell identifiziert Umweltfaktoren, die die Reaktion einer Zelle auf mechanischen Stress verstärken können, und die Förderung dieser Faktoren könnte das exponentielle Wachstum verlangsamen.“

Das in dieser Studie entwickelte Modell könnte auch als Grundlage für die Untersuchung anderer zellulärer Verhaltensweisen dienen.

„Ich denke, das Modell ist ein nützliches Werkzeug für Menschen, die Störungen in der Art und Weise untersuchen möchten, wie Zellen reagieren, sei es durch Stress, Nährstoffzugang oder etwas anderes“, sagt Weady. „Es ist sehr klar, wie man diese Fragen mit einem Modell wie diesem stellen kann, daher finde ich es spannend, was es im weiteren Sinne ermöglichen wird.“