Живые клетки движутся не так, как предсказывала физика

Израильские физики обнаружили неожиданную закономерность в движении бактерий и клеток дыхательных путей человека. В их скоплениях возникают вихри, которые ведут себя иначе, чем предсказывает модель. Законы природы при этом не нарушаются.

Колония бактерий под микроскопом напоминает живой поток. Микроорганизмы меняют направление, выстраиваются рядом, а затем общий порядок распадается. Похожие процессы идут в плотном слое человеческих клеток. Команда Университета Бен-Гуриона обнаружила, что такая перестройка происходит не совсем так, как ожидали физики.

Исследование опубликовано 18 августа в журнале Nature Physics. Учёные наблюдали за бактериями Bacillus subtilis и клетками эпителия человеческих бронхов. Объекты очень разные: бактерии быстро перемещаются, а клетки ткани медленно ползут в составе сплошного слоя. Тем интереснее сходство их коллективного поведения.

Для описания обеих систем используют понятие «активный нематик». Обычный нематический жидкий кристалл состоит из вытянутых молекул, ориентированных преимущественно в одном направлении. В живом аналоге роль таких элементов играют клетки, но каждая расходует энергию и создаёт движение.

В потоке постоянно возникают топологические дефекты — точки, вокруг которых нарушается согласованная ориентация соседних клеток. Это не повреждения организмов или ткани, а особенности общей картины движения. Дефекты рождаются парами двух типов, обозначаемых +½ и −½, а позже исчезают при встрече.

Стандартная теория ожидала, что пары будут сближаться и расходиться по зеркально симметричным траекториям. На видеозаписях же их пути изгибались в спирали. Иногда вращение шло по часовой стрелке, иногда — против неё. Такое нарушение зеркальной симметрии наблюдали и у бактерий, и у клеток бронхов. Важная тонкость: речь о траекториях дефектов в коллективном узоре, а не о том, что каждая клетка движется по спирали.

Исследователи предложили объяснение: форма и взаимная ориентация клеток задают нематический порядок, а их собственное направленное движение создаёт дополнительные, полярные силы. Их сочетание закручивает поток возле дефекта. Теоретическую модель разработали вместе с коллегами из Женевского университета и Университета Бар-Илан.

Отдельно авторы оценили производство энтропии. Рождение пары дефектов и её исчезновение оказались не одним процессом, прокрученным вперёд и назад. Клетки постоянно расходуют энергию, поэтому коллективная перестройка необратима; такие события вносят заметный вклад в её рассеяние.

По словам исследователей, самостоятельное движение отдельных клеток принципиально меняет поведение всего скопления. Это не отменяет законы Ньютона и не означает, что живая материя существует вне физики. Эксперименты обнаружили ограничение конкретной модели, которой недоставало механизма направленного движения.

О значении таких структур известно и из прежних работ. В 2017 году авторы исследования в Nature показали связь дефектов ориентации эпителиальных клеток с их выталкиванием из клеточного слоя. Новая статья изучает другую сторону процесса — движение и исчезновение самих дефектов.

Новый подход может помочь изучать бактериальные биоплёнки и перемещение клеток при заживлении ран. Но до практического применения далеко: исследование не проверяло лечение, подавление инфекций или восстановление тканей. Пока физики показали общий механизм на двух лабораторных системах, а его переносимость на другие типы клеток ещё предстоит выяснить.

Для живой ткани важна не только форма узора, но и история его появления. Два похожих расположения клеток могут скрывать разные потоки энергии. Отслеживая рождение и исчезновение микроскопических вихрей, исследователи получают возможность изучать эту невидимую динамику.

Фото: редакция ИЗНАНКИ.