После обнаружения симметрий в клетках млекопитающих ученые описывают некоторые ткани как жидкие кристаллы. Это закладывает основу для гидродинамической теории движения тканей.

Лука Джоми до сих пор помнит тот момент, когда, будучи молодым аспирантом, он посмотрел два видео с капельками, вытекающими из струйного принтера. Видео были практически идентичными, за исключением того, что одно из них вообще не было видео. Это была симуляция.

"Я был совершенно ошеломлен", - говорит Джоми, биофизик из Лейденского университета. "Вы могли предсказать все, что касается чернильных капель".

Симуляция была основана на математических законах гидродинамики, которые описывают поведение газов и жидкостей. И сейчас, спустя годы после восхищения чернильными каплями, Джоми все еще задается вопросом, как он может достичь такого уровня точности для систем, которые немного сложнее чернильных капель.

"Моя мечта - использовать такую большую предсказательную силу на службе биофизики", - говорит он.

Джоми и его коллеги только что сделали важный шаг к этой цели. В исследовании, опубликованном в журнале Nature Physics, они пришли к выводу, что листы эпителиальной ткани, из которых состоит кожа и которые покрывают внутренние органы, действуют подобно жидким кристаллам - материалам, которые упорядочены как твердые тела, но текут как жидкости. Чтобы установить эту связь, команда продемонстрировала, что в эпителиальной ткани сосуществуют две различные симметрии. Эти разные симметрии, определяющие реакцию жидких кристаллов на физические силы, просто проявляются в разных масштабах.

Понимание команды может облегчить применение точности гидродинамического моделирования к живым тканям. Если это произойдет, Джоми надеется предсказать, как человеческие ткани двигаются и деформируются во время различных процессов - от заживления ран до метастазирования рака.

"Это отличная статья", - сказала Линда Херст, физик из Калифорнийского университета в Мерседе, которая не принимала участия в работе. "Они действительно описывают симметрию клеточных листов более подробно, чем это было сделано ранее."

Поток и симметрия

Жидкие кристаллы текут как жидкости, но они все же имеют определенную степень кристаллического порядка - своего рода присущую симметрию или направленность, которая немного напоминает текстуру дерева. И точно так же, как деревянная доска прочнее всего вдоль своей текстуры, реакция жидкого кристалла на раздражители зависит от его симметрии и ориентации. Эта направленность, называемая анизотропией, является оптической магией современных жидкокристаллических дисплеев, которые по-разному преломляют свет в зависимости от их ориентации.

Хотя мы, возможно, больше знакомы с жидкими кристаллами в экранах телевизоров, они также широко распространены в клеточной биологии, находясь внутри клеток и в клеточных мембранах. За последние несколько лет исследователи пытались показать, что ткани - организованные группы клеток, которые действуют сообща, - тоже можно считать жидкими кристаллами. Если бы ткани можно было точно описать как жидкие кристаллы, то набор инструментов, которые физики используют для предсказания реакции кристаллов на силы, можно было бы применить в биологии, говорит Херст. Однако эти попытки натолкнулись на геометрический барьер. Экспериментаторы и теоретики не смогли договориться о симметрии ткани - наиболее определяющей характеристике жидкого кристалла и ключе для предсказания его поведения с помощью гидродинамики. При моделировании небольших групп клеток теоретики могли описать ткани как жидкие кристаллы с шестикратной "гексатической" симметрией, что немного напоминает чередование шестиугольников. Но в экспериментах ткани вместо этого вели себя как жидкости, состоящие из стержнеобразных частиц с двукратной "нематической" симметрией - немного похоже на то, что можно увидеть, если насыпать бочку зубочисток в пробирку и наблюдать за их течением.

"Возникло противоречие: Эксперимент говорит о нематической симметрии; численные эксперименты и модели в целом говорят о гексатической", - говорит Ливио Каренца, физик-вычислитель из Университета Коч в Стамбуле. "Как эти две вещи могут говорить друг с другом?"

Предварительное моделирование Каренцы - бывшего научного сотрудника группы Джоми - показало, что разногласия могут быть устранены, если обе симметрии, шестикратная и двукратная, существуют в тканях одновременно. Идея заключалась в том, что если увеличить ткань с нематической симметрией, то можно обнаружить менее масштабную гексатическую симметрию.

"Но вы не можете проверить теорию теорией", - сказал Джоми. "Поэтому мы провели эксперименты".

Для этого Джоми привлек Джулию Экерт, которая в то время была докторантом Лейденского университета, для сбора данных о живых культурах тканей.

"Я подвел их к микроскопу и показал им настоящие клетки, а не только те, которые они могут увидеть в литературе", - говорит Экерт, которая сейчас работает биофизиком в Квинслендском университете. Я спрашиваю: "Вы когда-нибудь видели клетки, ну, в реальной жизни? А он: "Нет". Нет? Ладно, поехали!"

Новый порядок жидкостей

Экерт начала с выращивания тонких слоев эпителиальной ткани в лаборатории. Затем она тщательно выделила границы каждой отдельной клетки на снимках, сделанных с помощью микроскопа. Теперь Джоми и его команда могли приступить к работе. Они хотели выяснить, различается ли симметрия ткани в мелких масштабах - когда рассматриваются всего несколько клеток и их соседи - и в более крупных масштабах.

Но чтобы разобраться с вложенными симметриями в листах клеток Эккерт, команде нужен был надежный способ различать нематические и гексатические порядки в беспорядочных биологических данных.

Лейденские биофизики разработали математический объект под названием тензор формы, чтобы получить информацию о форме и направлениях клеток. Используя его, Экерт измерил симметрию тканей в разных масштабах, сначала рассматривая отдельные клетки как базовые единицы кристалла, а затем делая то же самое для групп клеток.

При малых масштабах они обнаружили, что ткани обладают шестикратной вращательной симметрией и выглядят как черепица из сплюснутых шестиугольников. Но когда они рассмотрели группы, превышающие примерно 10 клеток, обнаружилась двукратная вращательная симметрия. Экспериментальные результаты полностью совпали с результатами моделирования Каренца.

"Было удивительно, насколько хорошо совпали экспериментальные данные и численное моделирование, - говорит Эккерт. На самом деле, они совпадали так близко, что первой реакцией Карензы было то, что все должно быть неправильно. Команда в шутку беспокоилась, что рецензент может подумать, что они жульничают. "Наблюдения отвечают на "давний вопрос о типе порядка, присутствующего в тканях", - говорит Джошуа Шаевитц, физик из Принстонского университета, который рецензировал работу (и не подумал, что они сжульничали). По его словам, наука часто "становится мутной", когда данные указывают на кажущиеся противоречивыми истины - в данном случае на вложенные симметрии. "А потом кто-то указывает или показывает, что эти вещи не так уж различны. Они оба правы."

Форма, сила и функция

Точное определение симметрии жидкого кристалла - это не просто математическое упражнение. В зависимости от симметрии кристалла его тензор напряжений - матрица, отражающая деформацию материала под действием напряжения, - выглядит по-разному. Этот тензор - математическая связь с уравнениями гидродинамики, которые Джоми хотел использовать для связи физических сил и биологических функций.

По словам Херста, привлечение физики жидких кристаллов к тканям - это новый способ понять запутанный и сложный мир биологии.

Точные последствия перехода от гексатического к нематическому порядку пока не ясны, но команда подозревает, что клетки могут осуществлять определенный контроль над этим переходом. Есть даже свидетельства того, что возникновение нематического порядка как-то связано с клеточной адгезией, говорят они. Выяснение того, как и почему в тканях проявляются эти две переплетенные симметрии, - проект будущего, хотя Джоми уже работает над тем, чтобы использовать полученные результаты для понимания того, как раковые клетки распространяются по организму при метастазировании. А Шаевиц отметил, что многомасштабная жидкокристалличность ткани может быть связана с эмбриогенезом - процессом, в ходе которого эмбрионы формируются в организмы.

По словам Джоми, если и есть одна главная идея в биофизике тканей, то она заключается в том, что структура порождает силы, а силы порождают функции. Другими словами, управление многомасштабной симметрией может быть частью того, как ткани складываются в нечто большее, чем просто сумма их клеток.

По словам Джоми, существует "треугольник формы, силы и функции". "Клетки используют свою форму для регулирования сил, а они, в свою очередь, служат двигателем механической функциональности."

Оригинал статьи перепечатан с разрешения журнала Quanta, независимого издания Фонда Саймонса, чья миссия заключается в улучшении понимания общественностью науки путем освещения научных разработок и тенденций в области математики, физических наук и наук о жизни.