一项研究发现，拥挤的细胞会通过自身调节减缓生长速度形成同心圆。 Scott Weady团队的模型有助于管理有害微生物的生长。与许多其他生物一样，细胞在受到"大杂烩"式的拥挤时也会感到压力。 然而，与其他生命形式不同的是，细胞在受到邻居拥挤的物理压力时，可以通过大幅减缓生长速度来缓解压力，并在此过程中形成美丽的同心圆图案。
粒子模拟捕捉细菌细胞生长和分裂的周期。 图片来源：Weady et. al (2024); Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation
Physical Review Letters发表的一项新研究描述了通过模拟和建模分裂细菌菌落而发现的这一发现。 该研究的第一作者、纽约市Flatiron研究所计算生物学中心研究员斯科特-韦迪（Scott Weady）说，这些见解可以为减缓感染或制造过程中有害微生物的生长提供新策略。
韦迪说："看到细胞在这种机械压力下能以这种方式缓解生长，我感到非常惊讶。有趣的是，它们形成了这些同心圆，每个圆环都显示了它们被周围的细胞扼杀了多少，最终影响了它们能长多大。 这是一种来自非常简单规则的强大模式，只是以前没有人真正想过要测量它。"
韦迪与 Flatiron 研究所的研究人员布莱斯-帕尔默（Bryce Palmer）、亚当-拉姆森（Adam Lamson）、雷扎-法哈迪法尔（Reza Farhadifar）、迈克尔-谢利（Michael Shelley）以及普渡大学的泰允-金（Taeyoon Kim）共同撰写了这篇研究报告。
解释细胞增殖新发现的信息图表。 图片来源：Lucy Reading-Ikkanda/Simons 基金会
韦迪的研究小组对生物物理建模很感兴趣，用他的话说，就是研究小规模的规则是如何支配大规模行为的。 在这种情况下，他的团队希望研究细胞增殖，即细胞通过分裂制造更多拷贝的过程。
研究小组从探索性方法入手，研究细菌菌落生长的模拟情况。 一开始，他们研究的是细胞大小调节等更一般的测量方法，但后来开始注意到一种模式。
通常情况下，细胞的增殖过程是指数式的： 一个细胞一分为二，这些后代又一分为二，以此类推，以越来越快的速度不断增殖。 然而，在他们的模拟中，研究小组注意到细胞并没有像你想象的那样分裂--事实上，随着细胞所处的环境变得越来越拥挤，细胞的增殖速度明显放缓。
"从一个细胞开始，它几乎感觉不到压力。 然后它分裂，这些细胞分裂，靠近中心的细胞受到的压力越来越大，因为有更多的压力压在它们身上，这导致它们的生长速度减慢，因此，当向圆的边缘移动时，就会出现这些非均匀应力敏感性带，表现为同心圆。"
连续体模型的视频图解展示了这一过程是如何在运动中进行的。 资料来源：Weady et.细胞建模的新见解
最初的工作基于粒子模拟，粒子模拟说明了增殖过程是如何在数量相对较少的细胞中进行的。 在此数据的基础上，研究小组开发出了所谓的连续体模型，该模型可以估算增殖过程在数量极大的细胞中是如何进行的。
韦迪说："在粒子模拟中看到的是离散的东西--在这种情况下跟踪的是随时间变化的细菌。但连续体模型的操作方式不同，它假定颗粒的数量非常大，因此可以将其表示为连续材料。 这有助于我们在更大范围内更好地研究这一过程，并了解它的稳健性。"
令人兴奋的是，研究小组发现，他们的连续体模型与他们在粒子模拟中看到的结果非常吻合，这表明他们的预感是正确的： 被逼入绝境的细胞会减缓自身的生长速度，并在此过程中形成一种停滞模式。
细胞增殖是一个非常有价值的研究课题，因为它是一个非常基本的过程，但同时也因为当增殖的细胞是有害的（如细菌感染）时，它们会造成有害影响。
韦迪说："弄清楚这一过程是如何自然调节以及如何控制的非常重要。我们的模型确定了可以增强细胞对机械应力反应的环境因素，而促进这些因素可以减缓指数增长。我认为这个模型是一个有用的工具，可以帮助人们研究细胞反应方式的扰动，无论是通过压力、营养获取还是其他方式。如何用这样的模型提出这些问题是非常清楚的，所以我觉得这很令人兴奋，因为它将在更广泛的范围内实现这一点"。
这项研究开发的模型还可以作为研究其他细胞行为的基础。
编译自/SciTechDaily