生物学可能会让人联想到动物、植物，甚至理论上的计算机模型。最后一个联想可能不会立即浮现在脑海中，但它在生物研究中却至关重要。复杂的生物现象，甚至是最微小的细节，都可以通过精确的计算来理解。ISTA 爱德华-汉内佐（Edouard Hannezo）教授利用这些计算来理解生物系统中的物理原理。他的团队最近的工作为了解细胞如何在活体组织内运动和交流提供了新的视角。
绚丽的色彩。图像显示了化学信号通路（ERK 通路；右上角）的激活与单层细胞中二维细胞区域（左下角）的模拟合并。图片来源：© Hannezo 小组/ISTA
丹尼尔-布考克（Daniel Boocock）在攻读博士学位期间，与来自新加坡国立大学的 Hannezo 和长期合作者 Tsuyoshi Hirashima 一起，建立了一个详细的新理论模型。该模型于7月20日发表在《PRX Life》杂志上，加深了我们对远距离细胞-细胞通讯的理解。它描述了细胞施加的错综复杂的机械力及其生化活动。
生物学的物理学方面。国际科学与技术学院教授爱德华-汉内佐（左）和国际科学与技术学院应届毕业生丹尼尔-布考克（右）利用理论物理来理解生物的复杂性。图片来源：(c) ISTA
细胞以波为单位进行交流
"假设你有一个培养皿，上面布满了细胞--单层细胞。它们看起来只是停在那里。但事实上，它们会移动、旋转，并自发地做出混沌行为，"汉内佐解释道。
汉内佐解释说："就像音乐会上密集的人群一样，如果一个细胞拉动一边，另一个细胞就会感应到这一动作，并做出反应，要么朝同一方向拉动，要么朝相反方向拉动。这样，信息就能以波的形式传播和传播--波在显微镜下是可见的。"
"细胞不仅能感知机械力，还能感知其化学环境--细胞相互施加的力和生化信号。它们之间的交流是生化活动、物理行为和运动的相互作用；然而，每种交流模式的程度以及这种机械化学相互作用如何在活体组织中发挥作用，直到现在仍令人难以捉摸。"
ISTA 毕业生丹尼尔-布考克（Daniel Boocock）在 ISTA 校园。图片来源：(c) ISTA
预测运动模式
受到可见波模式的启发，科学家们旨在创建一个理论模型，以验证他们之前关于细胞运动的理论。丹尼尔-布考克（Daniel Boocock）阐述道："在我们之前的工作中，我们希望揭示波的生物物理起源，以及它们是否在组织细胞集体迁移中发挥作用。然而，我们还没有考虑到组织的液固转换、系统固有的噪声或二维波的详细结构。"
他们最新的计算机模型关注细胞运动和组织的材料特性。通过它，博科克和汉内佐发现了细胞是如何进行机械和化学交流的，以及它们是如何运动的。他们能够复制在培养皿中观察到的现象，验证了基于物理定律的细胞通讯理论解释。
爱德华-汉内佐（Edouard Hannezo）教授在 ISTA 校园。他领导着生物系统中的物理原理研究小组。图片来源：(c) ISTA
测试理论
为了进行实验证明，布科克和汉内佐与生物物理学家平岛刚合作。为了严格测试新模型是否适用于真实的生物系统，科学家们使用了二维单层 MDCK 细胞--特异性哺乳动物肾脏细胞--这是此类研究的经典体外模型。
汉内佐解释说："如果我们抑制了一种能让细胞感知和产生力的化学信号通路，细胞就会停止运动，通信波也不会传播。根据我们的理论，我们可以轻松改变复杂系统的不同组成部分，并确定组织的动态适应情况。"
细胞组织表现出类似液晶的特性：它像液体一样流动，但又像晶体一样有组织。布考克补充道："特别是，生物组织的液晶样行为只有在独立于机械化学波的情况下才被研究过"。未来可能的研究方向之一是扩展到三维组织或具有复杂形状的单层，就像在生物体内一样。
研究人员还开始针对伤口愈合应用改进模型。在计算机模拟中，参数改善了信息流，加速了伤口愈合。汉内佐兴致勃勃地补充道："真正有趣的是，我们的模型在生物体内细胞的伤口愈合方面能发挥多大作用。"