Η φυσική του γυαλιού ανοίγει ένα παράθυρο στη βιολογία

Η άμπωτη και η ροή των οχημάτων κατά μήκος των συμφορημένων αυτοκινητοδρόμων ήταν αυτό που τράβηξε για πρώτη φορά τη Λίζα Μάνινγκ στην προτιμώμενη γωνιά της φυσικής, κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού προτού ξεκινήσει τις μεταπτυχιακές της σπουδές στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα. Ήταν γοητευμένη από τις αναδυόμενες συμπεριφορές στη ροή της κυκλοφορίας - «πώς θα μπορούσατε να ξεκινήσετε με τους τοπικούς κανόνες μεταξύ των αυτοκινήτων και να έχετε κύματα μποτιλιαρίσματος στην κυκλοφορία», είπε. Αλλά μόνο μετά την απόκτηση του διδακτορικού της στη φυσική το 2008, η Μάνινγκ άρχισε να εφαρμόζει αυτόν τον ενθουσιασμό σε προβλήματα στη βιολογία.

Κατά τη διάρκεια της μεταδιδακτορικής της υποτροφίας στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, έμαθε για αυτό που είναι γνωστό ως υπόθεση διαφορικής προσκόλλησης, μια ιδέα που αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1960 για να εξηγήσει πώς ομάδες κυττάρων στα έμβρυα κινούνται και διαχωρίζονται το ένα από το άλλο ως απάντηση σε σκέψεις όπως η επιφανειακή τάση. «Ήταν εκπληκτικό το γεγονός ότι μια τόσο απλή φυσική ιδέα μπορούσε να εξηγήσει τόσα πολλά βιολογικά δεδομένα, δεδομένου του πόσο περίπλοκη είναι η βιολογία», είπε ο Μάνινγκ, ο οποίος είναι τώρα αναπληρωτής καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο των Συρακουσών. "Αυτό το έργο με έπεισε πραγματικά ότι θα μπορούσε να υπάρχει χώρος για αυτό το είδος σκέψης [βασισμένη στη φυσική] στη βιολογία."

Πήρε έμπνευση από τη δυναμική των γυαλιών, εκείνων των διαταραγμένων στερεών υλικών που μοιάζουν με υγρά στη συμπεριφορά τους. Ο Μάνινγκ διαπίστωσε ότι οι ιστοί στο σώμα μας συμπεριφέρονται με πολλούς από τους ίδιους τρόπους. Ως αποτέλεσμα, με γνώσεις που προέρχονται από τη φυσική των γυαλιών, κατάφερε να μοντελοποιήσει τη μηχανική των κυτταρικών αλληλεπιδράσεων στους ιστούς και να αποκαλύψει τη σχέση τους με την ανάπτυξη και τις ασθένειες. Αν και βρίσκεται ακόμη σε πρώιμο σημείο της καριέρας της, η Manning έχει κερδίσει πολλά βραβεία για την έρευνά της, καθώς και για τη διδασκαλία και τις προσπάθειές της να συμπεριλάβει και να υποστηρίξει γυναίκες σε επιστημονικούς, τεχνικούς και ιατρικούς τομείς. Είναι «ένα ανερχόμενο αστέρι», σύμφωνα με τα λόγια ενός από τους συναδέλφους της. (Σημείωση του συντάκτη:το έργο του Manning χρηματοδοτείται εν μέρει από το Ίδρυμα Simons, το οποίο εκδίδει το Quanta .)

Περιοδικό Quanta πρόσφατα μίλησε με τον Manning για το πώς ομάδες κυττάρων κινούνται και κάνουν μεταβάσεις μεταξύ υγρών και στερεών καταστάσεων, πώς διατηρούν τα όριά τους καθώς σχηματίζονται όργανα κατά τη διάρκεια της εμβρυϊκής ανάπτυξης και πώς μια κατάρρευση αυτής της διαδικασίας μπορεί να οδηγήσει σε ασθένειες όπως ο καρκίνος. Η συνέντευξη έχει συμπυκνωθεί και επεξεργαστεί για λόγους σαφήνειας.

Ας ξεκινήσουμε με τα βασικά. Ποιο είναι το πρόβλημα του γυαλιού;

Για να μετατρέψετε ένα υγρό σε στερεό, μπορείτε απλώς να κολλήσετε ένα ποτήρι νερό στην κατάψυξη μέχρι να μετατραπεί σε πάγο. Είναι μια αρκετά εύκολη διαδικασία για να καταλάβει ένας φυσικός:Τα μόρια μέσα σε ένα ρευστό είναι όλα μπερδεμένα και είναι κατανοητό ότι το σύστημα γίνεται άκαμπτο ή συμπαγές, επειδή αυτά τα μόρια γίνονται διατεταγμένα.

Αλλά τα υαλώδη υλικά φαίνονται μικροσκοπικά πανομοιότυπα στη ρευστή και τη στερεή φάση. Το μεγάλο μυστήριο της γυάλινης μετάβασης - ένα μυστήριο με το οποίο έχουμε παλέψει για περισσότερα από 50 χρόνια - είναι πώς αυτό είναι δυνατό. Τυπικά, η ακαμψία συνδέεται με τη διακοπή της συμμετρίας:Τα άτομα σε ένα ρευστό φαίνονται παντού πανομοιότυπα, ενώ σε στερεή κατάσταση υπάρχουν ειδικές κατευθύνσεις που σχετίζονται με το διατεταγμένο πλέγμα. Στην περίπτωση των γυαλιών, δεν είναι ξεκάθαρο ποια συμμετρία σπάει ή πώς προκύπτει η ακαμψία.

Έχετε μιλήσει για το πώς το πρόβλημα του γυαλιού έχει πολλά ανάλογα και εφαρμογές σε τομείς που κυμαίνονται από την τεχνητή νοημοσύνη και τα δίκτυα του εγκεφάλου έως την αναδίπλωση και τη μορφογένεση πρωτεϊνών. Ωστόσο, αυτό που μόλις περιέγραψες φαίνεται τόσο μακριά από κάτι σαν την τεχνητή νοημοσύνη. Πώς συνδέονται αυτά τα δύο;

Στα υαλώδη συστήματα, πιστεύουμε ότι πολλές από αυτές τις ενδιαφέρουσες ιδιότητες εμφανίζονται επειδή υπάρχει αυτό που ονομάζεται σύνθετο δυναμικό ενεργειακό τοπίο. Εάν θεωρήσετε τη συνολική ενέργεια ολόκληρου του συστήματος ως συνάρτηση της θέσης των ατόμων, τότε σε ένα ποτήρι, το οποίο είναι άτακτο, αυτό το τοπίο είναι απίστευτα πολύπλοκο.

Αποδεικνύεται ότι τα νευρωνικά δίκτυα που χρησιμοποιούνται για βαθιά μάθηση και βελτιστοποίηση μοιράζονται έναν εκπληκτικά μεγάλο αριθμό ιδιοτήτων με τα γυαλιά. Μπορείτε να σκεφτείτε τους κόμβους του δικτύου ως σωματίδια και τις μεταξύ τους συνδέσεις ως δεσμούς μεταξύ σωματιδίων. Εάν το κάνετε, τα νευρωνικά δίκτυα και τα γυαλιά έχουν πολύπλοκα τοπία δυναμικής ενέργειας με σχεδόν πανομοιότυπες ιδιότητες. Για παράδειγμα, ερωτήσεις σχετικά με τα ενεργειακά εμπόδια μεταξύ των καταστάσεων σε ένα νευρωνικό δίκτυο σχετίζονται με ερωτήσεις σχετικά με το πόσο πιθανό είναι να ρέει ένα υαλώδες υλικό. Έτσι, ελπίζουμε ότι η κατανόηση ορισμένων από τις ιδιότητες των γυαλιών μπορεί να σας βοηθήσει να κατανοήσετε τη βελτιστοποίηση και σε αυτά τα νευρωνικά δίκτυα.

Είναι χαρακτηριστικό η επιστήμη των υλικών να είναι τόσο σχετική με άλλους τομείς;

Η φυσική του γυαλιού είναι περίεργη στο ότι έχει τόσες πολλές εφαρμογές. Υπάρχει μια παλαιότερη σύνδεση, που χρονολογείται από τη δεκαετία του 1980, μεταξύ των ποτηριών και της αναδίπλωσης πρωτεΐνης. Και τώρα εμφανίζεται παντού:σε μοτίβα στην εξέλιξη, σε μαγνήτες, στη δυναμική των κοινωνικών δικτύων. Θα έλεγα ότι αυτό συμβαίνει επειδή τα γυαλιά είναι ένα πολύ απλό μοντέλο για ένα σύστημα που είναι εξαιρετικά διαταραγμένο. Όλα αυτά είναι δίκτυα κόμβων, όπου οι συνδέσεις μεταξύ των κόμβων είναι διαταραγμένες.

Λοιπόν, πώς διατυπώνετε ερωτήσεις σχετικά με την εμβρυογένεση, σχετικά με το σχηματισμό οργάνων κατά την ανάπτυξη, μέσα από το πρίσμα αυτού του προβλήματος της φυσικής;

Αυτό που είναι εντυπωσιακό είναι ότι κατά την ανάπτυξη - ειδικά κατά τα πρώτα στάδια, όταν αρχίζουν να σχηματίζονται διαφορετικά στρώματα στο έμβρυο - τα κύτταρα πρέπει να ρέουν το ένα πάνω από το άλλο για σχετικά μεγάλες αποστάσεις. Στη συνέχεια, όμως, σε μεταγενέστερα στάδια ανάπτυξης και ως ενήλικας, ένα ζώο πρέπει να συμπεριφέρεται περισσότερο σαν στερεό για να υποστηρίζει το περπάτημα και την κίνηση.

Αυτό σημαίνει ότι ομάδες κυττάρων πρέπει να εκτελούν ένα γενετικό πρόγραμμα αρκετά τακτικά για να μεταβούν από τη μορφή ρευστότητας, όπου τα κύτταρα είναι όλα ανακατεμένα και περνούν εύκολα το ένα δίπλα στο άλλο, σε ένα σύστημα όπου είναι κλειδωμένα στη θέση τους. Εν τω μεταξύ, μπορείτε να δείτε το αντίθετο, όπου μπορεί να συμβεί ρευστοποίηση του ιστού, στην επούλωση πληγών, όπου τα κύτταρα πρέπει να μετακινηθούν για να κλείσουν έναν τραυματισμό ή στον καρκίνο, όπου τα κύτταρα πρέπει να απομακρυνθούν από έναν όγκο για να κάνουν μετάσταση. Οι οδηγίες για όλα αυτά βρίσκονται στο DNA, σε μονοκύτταρο επίπεδο. Τι κάνουν λοιπόν μεμονωμένα κύτταρα για να αλλάξουν τις παγκόσμιες μηχανικές ιδιότητες μιας ολόκληρης δέσμης κυττάρων σε επίπεδο ιστού; 

Τα μοντέλα για γυάλινες μεταπτώσεις βασίζονται συνήθως σε μόρια ή σωματίδια, πράγμα που σημαίνει ότι οι αλληλεπιδράσεις εξαρτώνται από το πόσο μακριά, ας πούμε, ένα άτομο από το άλλο. Μας ενδιαφέρουν, όμως, οι συρρέοντες εμβρυϊκοί ιστοί, όπου το «συρρέον» σημαίνει ότι δεν υπάρχουν κενά ή επικαλύψεις μεταξύ των κυττάρων. Και αυτό σημαίνει ότι δεν αλλάζουμε καμία από τις μεταβλητές που συνήθως συσχετίζουμε με μια μετάβαση υγρού-στερεού, όπως η θερμοκρασία ή το πόσο πυκνά είναι συσκευασμένα τα σωματίδια. Πώς επιτυγχάνεται μια μετάβαση υγρού-στερεού σε ένα σύστημα που δεν έχει καμία από αυτές τις ιδιότητες;

Πήραμε ένα υπάρχον μοντέλο, που ονομάζεται μοντέλο κορυφής, το οποίο φαντάζεται μια σφιχτή συσκευασία κυψελών σε δύο διαστάσεις ως πλακίδιο πολυγώνων, όπου κάθε κορυφή κινείται ως απόκριση σε δυνάμεις όπως η επιφανειακή τάση. Χρησιμοποιήσαμε αυτό το μοντέλο για να εξετάσουμε ιδιότητες όπως τα ενεργειακά εμπόδια μεταξύ φυσικών καταστάσεων ή πόσο δύσκολο ήταν για ένα κύτταρο να κινηθεί. Αυτές οι ιδιότητες στο σύστημα ιστού έδειχναν τα χαρακτηριστικά αυτού που θα βλέπατε σε μια τυπική μετάβαση από γυαλί σε συνηθισμένα υλικά.

Ποιες γνώσεις για την ανάπτυξη αποκομίσατε από τη μελέτη αυτής της μετάβασης;

Θα θέλαμε να καταλάβουμε πώς σχηματίζονται τα όργανα κατά την ανάπτυξη, γιατί εάν σχηματιστούν ακατάλληλα, αυτό οδηγεί σε συγγενή ασθένεια. Μια υπόθεση που έχουμε είναι ότι ορισμένα όργανα κινούνται ενεργά μέσω ενός ιστού καθώς σχηματίζονται. Σε ένα έγγραφο που μόλις δημοσιεύσαμε στο arxiv.org, ανακαλύψαμε ότι οι δυνάμεις έλξης - οι μηχανικές δυνάμεις που μοιάζουν με υγρό που ασκούνται σε ένα όργανο καθώς κινείται - μπορούν να επαρκούν για να αλλάξουν τα σχήματα των κυττάρων με τρόπους που βοηθούν το όργανο να είναι λειτουργικό. Το γεγονός ότι το όργανο κινείται μέσα από ένα υλικό που είναι είτε πιο ρευστό είτε πιο στερεό μπορεί πραγματικά να βοηθήσει το όργανο να σχηματιστεί σωστά και να κάνει τη δουλειά του. Σε αυτό το άρθρο, εξετάσαμε το όργανο των ψαριών ζέβρας που οργανώνει την ασυμμετρία αριστερά-δεξιά και βοηθά, ας πούμε, να τοποθετηθεί η καρδιά τους στη σωστή πλευρά του σώματος. Είμαστε πραγματικά ενθουσιασμένοι με αυτό το αποτέλεσμα, γιατί υποδηλώνει ότι αυτές οι ιδιότητες υλικού του εμβρύου μπορούν να παίξουν έναν ακριβή ρόλο βοηθώντας το να αναπτυχθεί σωστά.

Δηλαδή αυτή η μετάβαση υγρού-στερεού είναι σημαντική για την ασύμμετρη τοποθέτηση του σώματος;

Παρόλο που όλοι φαινόμαστε συμμετρικοί εξωτερικά, είμαστε αρκετά ασύμμετροι εσωτερικά:η καρδιά βρίσκεται στη μία πλευρά, το συκώτι από την άλλη, και ούτω καθεξής. Σε όλα τα σπονδυλωτά, αυτό καθοδηγείται από ένα όργανο με βλεφαρίδες ασυμμετρίας που σχηματίζεται στο πρώιμο έμβρυο. Σε αυτό το όργανο, ένα μάτσο βλεφαρίδες κολλάνε σε μια κοιλότητα γεμάτη νερό. Οι βλεφαρίδες χτυπούν σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση και δημιουργούν μια ροή υγρού μέσα, και αυτή η ροή υγρού διαβάζεται για να δημιουργήσει μοτίβο αριστερά-δεξιά. Η κατεύθυνση της ροής μέσα σε αυτό το γεμάτο με νερό όργανο λέει σε ολόκληρο το σώμα σας πώς να διαμορφωθεί σωστά. Γι' αυτό τα άτομα που έχουν δυσλειτουργικές βλεφαρίδες μπορεί να έχουν συμμετρία αναστροφής, όπου διαφορετικά μέρη του σώματός τους καταλήγουν στη λάθος πλευρά.

Τώρα, αυτό που πραγματικά με ενδιαφέρει είναι το σχήμα των κυττάρων, γιατί φαίνεται να διέπει πολλά από τη φυσική σε αυτούς τους συρρέοντες ιστούς. Και αποδεικνύεται ότι το σχήμα των κυττάρων παίζει σημαντικό ρόλο σε αυτό το όργανο που σπάει τη συμμετρία. Στα έμβρυα ψαριών ζέβρας, υπάρχει ένα προγραμματισμένο σύνολο αλλαγών σχήματος - πιθανώς διέπονται από μεταβάσεις υγρού-στερεού - που πρέπει να συμβούν για να δημιουργήσουν αυτό το σπάσιμο της συμμετρίας αριστερά-δεξιά. Για παράδειγμα, τα κύτταρα στο πάνω μέρος του οργάνου πρέπει να γίνουν μακριά και αδύνατα, ενώ εκείνα στο κάτω μέρος γίνονται κοντά και οκλαδόν. Με αυτόν τον τρόπο, πολλές περισσότερες βλεφαρίδες καταλήγουν στην κορυφή όπου μπορούν να δημιουργήσουν μια πραγματικά ισχυρή ροή.

Πέρα από την ασυμμετρία στην ανάπτυξη, έχετε κάνει επίσης δουλειά για τον τρόπο με τον οποίο οι αναπτυσσόμενοι ιστοί δημιουργούν και διατηρούν αιχμηρά, διακριτά όρια. Γιατί είναι αυτό σημαντικό;

Υπάρχουν πολλές περιπτώσεις στη βιολογία όπου θέλετε να έχετε μια ευκρινή διεπαφή, με την έννοια ότι το πλάτος της διεπαφής είναι πολύ πιο λεπτό από μια διάμετρο κυψέλης. Δεν είναι τρελό. Ένα αιχμηρό όριο διασφαλίζει ότι δεν θα υπάρξει ανάμειξη μεταξύ δύο τύπων κυττάρων, κάτι που είναι κρίσιμο για τον διαχωρισμό των ιστών κατά την εμβρυϊκή ανάπτυξη, όταν τα κύτταρα πρέπει να διαχωριστούν και να διαμερισθούν στο έντερο και στο ήπαρ κ.λπ.

Αν κοιτούσατε προσεκτικά ένα μείγμα δύο ρευστών που φαίνεται να έχουν μια πολύ αιχμηρή διεπαφή - όπως μια σταγόνα λαδιού στο νερό - υπάρχει στην πραγματικότητα ένα μεγάλο εύρος στο οποίο αυτά τα μόρια αναμιγνύονται μεταξύ τους, καθώς τα μόρια είναι τόσο μικρά. Αλλά τα αντικείμενα που συνθέτουν έναν ιστό είναι κύτταρα και μπορεί να είναι μεγάλα σε σχέση με την κλίμακα ενός οργάνου. Αυτό σημαίνει ότι αυτές οι διεπαφές πρέπει να είναι πολύ πιο ευκρινείς. Αν δεν ήταν τόσο αιχμηρά - αν ήταν τόσο αναμεμειγμένα όσο είναι σε τυπικές διεπαφές μεταξύ δύο ρευστών - θα είχατε μεγάλο πρόβλημα. Έτσι, αν κοιτάξετε τις διεπαφές που εμφανίζονται σε ένα αναπτυσσόμενο σύστημα κάτω από ένα μικροσκόπιο, είναι απίστευτα ευκρινείς.

Τι τα κάνει τόσο αιχμηρά;

Συνήθως, υπάρχει άμεση σχέση μεταξύ του πόσο ευκρινής είναι μια διεπαφή και πόση επιφανειακή τάση έχει. Αλλά οι άνθρωποι έχουν μετρήσει την επιφανειακή τάση μεταξύ δύο τύπων κυττάρων - πόσο δύσκολο είναι να συμπιεστούν οι ομάδες κυττάρων - και αυτοί οι αριθμοί δεν είναι τόσο μεγάλοι. Οι διεπαφές ήταν τάξεις μεγέθους πολύ ευκρινείς. Γιατί υπήρχε αυτή η μεγάλη διαφορά μεταξύ της μηχανικής μέτρησης της επιφανειακής τάσης και της ευκρίνειας της διεπαφής; Διαπιστώσαμε ότι είχε να κάνει με το ότι οι τύποι κυττάρων ήταν συρρέουσες — με το γεγονός ότι τα κύτταρα δεν είχαν κενά μεταξύ τους και το σχήμα τους καθοριζόταν από το πόσο συγκολλητικά ή «κολλώδη» ήταν.

Σε τέτοια συστήματα, οι αλληλεπιδράσεις δεν εξαρτώνται από την πυκνότητα ή από το πόσο μακριά είναι ο γείτονάς σας, αλλά από το ποιοι είναι οι γείτονές σας και πόσους γείτονες έχετε. Αυτό ονομάζεται τοπολογική αλληλεπίδραση. Ο μεταδιδακτορικός συνεργάτης Daniel Sussman και εγώ αποφασίσαμε να μοντελοποιήσουμε αυτό το σύστημα και μαζί με άλλες σχολές στις Συρακούσες ανακαλύψαμε ότι αυτές οι απίστευτα ευκρινείς διεπαφές ήταν ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό συστημάτων με τοπολογικές αλληλεπιδράσεις. Αυτό ήταν πραγματικά συναρπαστικό και εντελώς απροσδόκητο. Επιπλέον, να θυμάστε ότι το μοντέλο κορυφής που χρησιμοποιούμε δεν ισχύει μόνο για βιολογικά κύτταρα. Επομένως, εάν θέλετε μια πολύ ευκρινή διεπαφή σε κάποιο είδος τεχνητής δομής, όπως ένας αφρός ή ένα σύστημα αυτο-οργανωμένων σταγονιδίων, θα μπορούσατε ενδεχομένως να σχεδιάσετε υλικά που έχουν αυτήν την τοπολογική αλληλεπίδραση.

Αν αυτές οι αιχμηρές διεπαφές είναι σημαντικές για τη διατήρηση της ακεραιότητας των ιστών, τότε βλέπουμε να διασπώνται σε ασθένειες;

Αυτό είναι μέρος της υπόθεσης εργασίας μας. Θέλουμε να μάθουμε:Τι εμποδίζει τα καρκινικά κύτταρα να κάνουν μετάσταση; Η τυπική άποψη είναι ότι συγκρατούνται από ένα φυσικό φράγμα που ονομάζεται βασική μεμβράνη που διαχωρίζει την επένδυση των κοίλων ιστών από τα υποκείμενα στρώματα. Αλλά σε πολλά καρκινώματα (ένα συγκεκριμένο είδος καρκίνου), έχει παρατηρηθεί ότι τα κύτταρα μπορούν να διαπεράσουν τη βασική μεμβράνη και παρόλα αυτά δεν απομακρύνονται από τον όγκο. Μερικές ερευνητικές ομάδες έχουν προτείνει ότι η επιφανειακή τάση ενός καρκινικού όγκου, που παίζει σε αυτές τις αιχμηρές και μαλακές διεπαφές, μπορεί να παίξει σημαντικό ρόλο στον καθορισμό του εάν αυτά τα καρκινικά κύτταρα μπορούν να διαφύγουν. Το πώς οι καρκινικοί όγκοι υφίστανται μια μετάβαση υγρού-στερεού μπορεί επίσης να παίξει ρόλο σε αυτό.

Μια από τις πιο όμορφες προβλέψεις μας μας επιτρέπει απλώς να δούμε τα σχήματα των κυττάρων για να προσδιορίσουμε εάν ένας ιστός συμπεριφέρεται σαν υγρό ή στερεό και εάν αυτά τα κύτταρα μπορούν να μεταναστεύσουν ή όχι. Τα μοντέλα κορυφών μας προέβλεψαν ότι στη στερεά φάση, η περίμετρος ενός κυττάρου διαιρούμενη με την τετραγωνική ρίζα του εμβαδού του θα ήταν ακριβώς 3,81 και ότι θα έπρεπε να ανέβει από το 3,81 όσο περισσότερο ρευστό είχε ο ιστός. Η οποία είναι πραγματικά μια τρελά ισχυρή πρόβλεψη για τη βιολογία!

Αλλά το 2015, δημοσιεύσαμε μια εργασία με την ομάδα του Jeff Fredberg στη Σχολή Δημόσιας Υγείας του Χάρβαρντ που δείχνει ότι αυτό είναι ακριβώς σωστό. Από τότε, οι συνάδελφοί μου στη βιολογία ήταν πολύ πιο πρόθυμοι να με ακούσουν. [Γέλια ]

Πολλές από τις εργασίες μας τον περασμένο χρόνο ήταν προσανατολισμένοι στην κατανόηση του πολύ βαθύ λόγου για τον οποίο αυτό λειτουργεί. Υποδεικνύει ένα υποκείμενο γεωμετρικό πρόβλημα ελάχιστης επιφάνειας. Σκεφτείτε το ακόλουθο μαθηματικό πρόβλημα:Πρέπει να πλακώσετε χώρο με συγκεκριμένο αριθμό πλακιδίων και κάθε πλακίδιο πρέπει να έχει την ίδια περιοχή. Ποια είναι η ελάχιστη περίμετρος που μπορούν να έχουν όλα αυτά τα αντικείμενα; Και έχουμε αποδείξεις τόσο σε δύο διαστάσεις όσο και σε τρεις διαστάσεις (επειδή υπάρχει μια ανάλογη ερώτηση στις τρεις διαστάσεις) ότι υπάρχει μια ελάχιστη επιφάνεια. Σε δύο διαστάσεις, αυτή η ελάχιστη αναλογία περιμέτρου προς περιοχή είναι 3,81. Που σημαίνει ότι είναι εξαιρετικά γενικό:Στο μοντέλο μας, μπορεί να χρησιμοποιούσαμε μια ειδική ενεργειακή συνάρτηση για να κατανοήσουμε την ακαμψία, αλλά αυτό σημαίνει ότι οποιαδήποτε ενεργειακή συνάρτηση που σας οδηγεί στην ελαχιστοποίηση της αναλογίας περιμέτρου προς περιοχή θα δώσει αυτά τα αποτελέσματα. Γι' αυτό είναι ωραίο.

Στο κλινικό μέτωπο, δεδομένου ότι η έρευνά μας έχει προτείνει ότι τα σχήματα των κυττάρων είναι πραγματικά σημαντικά, ελπίζουμε να αναλύσουμε τα σχήματα των κυττάρων από έμβρυα ή ασθενείς με καρκίνο για να κάνουμε μια μέρα διάγνωση ασθένειας.

Έχουμε μιλήσει πολύ για το πώς οι μηχανικές δυνάμεις οδηγούν την ανάπτυξη, τη δομή και την ασθένεια. Τι γίνεται με τη γενετική;

Σωστά. Οι αναπτυξιακοί βιολόγοι προσπαθούν επίσης να κατανοήσουν πώς τα γονίδια και οι διαβαθμίσεις των μορίων σηματοδότησης που ονομάζονται μορφογόνα δημιουργούν τη δομή του σώματος. Προφανώς, είναι εξαιρετικά σημαντικά. Η προσέγγισή μας είναι συμπληρωματική σε αυτό. Οδηγεί νέες υποθέσεις για το πώς τα κύτταρα μπορούν να ελέγχουν το σχηματισμό οργάνων, δείχνοντας ότι δεν είναι μόνο βιοχημική ανάδραση αλλά και μηχανική ανάδραση - ότι οι ιδιότητες του υλικού του ίδιου του ιστού θα μπορούσαν να είναι ένας πολύ ισχυρός μηχανισμός για τη δημιουργία προτύπων στα έμβρυα και ότι αυτές οι ιδιότητες θα μπορούσαν είναι στόχοι για θεραπείες.

Έχετε εργαστεί για να ενσωματώσετε τη μηχανική σας προσέγγιση με τη γενετική;

Για να είμαι ειλικρινής, όταν άρχισα να το κάνω αυτό πριν από 10 χρόνια, σκέφτηκα ότι θα μπορούσα απλώς να αναζητήσω τη μηχανική ενός ιστού σε κάποιο βιβλίο και μετά να εργαστώ για να βάλω δίκτυα βιοχημικής σηματοδότησης πάνω του. Αλλά νομίζω ότι μόλις τώρα βρισκόμαστε σε ένα σημείο όπου καταλαβαίνουμε τη μηχανική αρκετά καλά ώστε να τη συνδυάζουμε με τη σηματοδότηση στα μοντέλα.

Γι' αυτό είμαι ιδιαίτερα ενθουσιασμένος με τα νέα πειραματικά εργαλεία που ονομάζονται οπτογενετικά εργαλεία, τα οποία τροποποιούν την ενεργοποίηση πρωτεϊνών ή μορίων σηματοδότησης αναβοσβήνοντας φως στα κύτταρα. Μπορείτε να παίξετε τοπικά τόσο με τη μηχανική όσο και με την έκφραση των μορίων σηματοδότησης με αυτόν τον τρόπο, για να δείτε πώς αλληλεπιδρούν και τα δύο για να δημιουργήσουν μοτίβα στους αναπτυσσόμενους ιστούς. Υπάρχουν τόσες πολλές ενδιαφέρουσες ερωτήσεις που μπορείτε να κάνετε.