Bahasa komunikasi sel yang unik

Fisika Komunikasi Sel: Ilmuwan ISTA telah berhasil merekayasa dinamika sel.

Seperti kita, sel berkomunikasi. Nah, dengan cara mereka sendiri. Menggunakan gelombang sebagai bahasa umum, sel-sel saling memberi tahu ke mana dan kapan harus bergerak. Mereka berbicara, mereka berbagi informasi, mereka bekerja sama – seperti tim peneliti interdisipliner dari Institute of Science and Technology Austria (ISTA) dan National University of Singapore (NUS). Mereka telah meneliti bagaimana sel berkomunikasi — dan bagaimana hal itu mungkin penting untuk proyek masa depan, seperti menerapkannya pada penyembuhan luka.

Biologi mungkin menggoda gambar hewan, tumbuhan, atau bahkan model komputer teoretis. Asosiasi yang terakhir mungkin tidak langsung terlintas dalam pikiran, tetapi penting dalam penelitian biologi. Fenomena biologis yang kompleks dapat dipahami, hingga detail terkecil, melalui perhitungan yang cermat. Profesor ISTA Edouard Hannezo menggunakan perhitungan ini untuk memahami prinsip fisika dalam sistem biologi. Pekerjaan terbaru timnya memberikan wawasan baru tentang bagaimana sel bergerak dan berkomunikasi dalam jaringan hidup.

Gelombang warna yang indah. Ditampilkan adalah aktivasi jalur pensinyalan kimia (jalur ERK; kanan atas) yang dikombinasikan dengan simulasi wilayah sel 2D (kiri bawah) dalam lapisan sel tunggal. Kredit: © grup Hannezo / ISTA

Pergerakan sel dan komunikasi: model teoretis

Selama PhD-nya, Daniel Pocock, bersama dengan Hannezo dan kolaborator jangka panjang Tsuyoshi Hirashima dari National University of Singapore, mengembangkan model teoretis baru yang mendetail. Diterbitkan pada 20 Juli di jurnal kehidupan prxModel ini meningkatkan pemahaman kita tentang komunikasi seluler jarak jauh. Ini menentukan kekuatan mekanik kompleks yang diberikan oleh sel dan aktivitas biokimia mereka.

Sisi fisik biologi. Profesor ISTA Edouard Hannezo (kiri) dan lulusan ISTA terbaru Daniel Pocock (kanan) menggunakan teori fisika untuk memahami kompleksitas biologis. Kredit: (c) ISTA

Sel berkomunikasi dalam gelombang

“Misalkan Anda memiliki cawan petri yang tercakup dalam sel — sebuah lapisan tunggal. Mereka terlihat seperti hanya duduk di sana. Tetapi kenyataannya adalah mereka bergerak, berputar, dan secara otomatis melakukan perilaku kacau,” jelas Hanizou.

Mirip dengan kerumunan padat di sebuah konser, jika sel menarik di satu sisi, sel lain merasakan aksinya dan dapat bereaksi dengan pergi ke arah yang sama atau menarik ke arah yang berlawanan. Informasi tersebut kemudian dapat menyebar dan berjalan dalam gelombang – gelombang yang terlihat di bawah mikroskop.

“Sel tidak hanya merasakan kekuatan mekanis, tetapi juga lingkungan kimianya—kekuatan biokimia dan sinyal yang diberikan sel satu sama lain,” lanjut Hanizou. “Komunikasi mereka adalah interaksi antara aktivitas biokimia, perilaku fisik, dan gerakan; namun, tingkat masing-masing mode komunikasi dan bagaimana interaksi mekanokimia ini beroperasi dalam jaringan hidup masih sulit dipahami sampai sekarang.”

Daniel Pocock lulus dari ISTA di kampus ISTA. Kredit: (c) ISTA

Memprediksi pola gerakan

Terinspirasi oleh pola gelombang yang terlihat, para ilmuwan berusaha untuk membuat model teoretis yang akan memvalidasi teori mereka sebelumnya tentang pergerakan sel. Daniel Pocock menjelaskan, “Dalam pekerjaan kami sebelumnya, kami ingin mengungkap asal biofisik gelombang dan apakah mereka berperan dalam mengatur migrasi kolektif sel. Namun, kami tidak mempertimbangkan transisi jaringan antara cair dan padat, kebisingan melekat dalam sistem, atau struktur terperinci dari gelombang biner.” Dimensi”.

Model komputer terbaru mereka berkaitan dengan pergerakan sel dan sifat material jaringan. Dengan itu, Boocock dan Hannezo menemukan bagaimana sel berkomunikasi secara mekanis dan kimiawi serta bagaimana mereka bergerak. Mereka mampu mereplikasi fenomena yang diamati dalam cawan petri, dan menyelidiki penjelasan teoretis untuk komunikasi seluler berdasarkan hukum fisika.

Profesor ISTA Edouard Hannezo di Kampus ISTA. Memimpin kelompok penelitian tentang prinsip fisika dalam sistem biologis. Kredit: (c) ISTA

tes teori

Untuk mendapatkan bukti eksperimental, Boocock dan Hannezo bekerja sama dengan ahli biofisika Tsuyoshi Hirashima. Untuk menguji secara ketat apakah model baru ini dapat diterapkan pada sistem biologis nyata, para ilmuwan menggunakan monolayer dua dimensi sel MDCK – sel ginjal mammae spesifik – yang merupakan model in vitro klasik untuk penelitian semacam itu.
“Jika kita memblokir jalur pensinyalan kimia yang memungkinkan sel merasakan dan menghasilkan kekuatan, sel berhenti bergerak dan gelombang komunikasi tidak menyebar,” jelas Hanizou. “Dengan teori kami, kami dapat dengan mudah mengubah berbagai komponen dari sistem yang kompleks dan menentukan bagaimana dinamika jaringan beradaptasi.”

Lalu bagaimana?

Jaringan seluler menunjukkan sifat yang mirip dengan kristal cair: mengalir seperti cairan tetapi tersusun seperti kristal. Pocock menambahkan, “Secara khusus, perilaku seperti kristal cair dari jaringan biologis hanya dipelajari secara independen dari gelombang kimia-mekanis.” Meregangkan jaringan 3D atau lapisan tunggal dengan bentuk kompleks, seperti pada organisme hidup, adalah salah satu jalan penyelidikan yang mungkin dilakukan di masa depan.

Para peneliti juga mulai memperbaiki model untuk aplikasi penyembuhan luka. Di mana parameter meningkatkan aliran informasi, pemulihan dipercepat – dalam simulasi komputer. Hannezo menambahkan dengan antusias, “Yang benar-benar menarik adalah seberapa baik model kami bekerja untuk penyembuhan luka pada sel di dalam organisme.”

Referensi: “Interaksi Pola Kimia-Mekanis dan Dinamika Kaca dalam Lapisan Tunggal Seluler” Oleh Daniel Pocock, Tsuyoshi Hirashima dan Edward Hanizou, 20 Juli 2023, Tersedia di sini. kehidupan prx.
DOI: 10.1103/PRXLife.1.013001