破解密码:自然界细胞谜题背后的数学

研究人员已经揭示了在肾脏和鼻腺等组织中发现的细胞边界崎岖结构背后的数学和生物学机制。该团队希望他们的新见解可以帮助开发治疗相关病理的新方法，并为未来的研究建立更好的生物学模型。

　　

细胞边界“坚固性”的数学计算

我们的细胞有各种形状和大小。从横跨中枢神经系统的神经元，到保护我们免受感染的球形白细胞，细胞的形态和结构对其在我们体内的功能至关重要。细胞之间的结构也可以变化，并且同样具有重要的效用。

其中一种中间结构是通常在上皮细胞之间发现的“崎岖”或“波浪形”结构，上皮细胞是覆盖皮肤和大多数其他器官和血管的细胞类型。在显微镜下，这些图案看起来很不规律，但对九州大学医学院的三浦隆教授来说，这是一个令人着迷的主题。

上皮细胞的一个关键功能是促进分子和液体在细胞边界之间的运输，这一过程被称为细胞旁运输。最近的研究表明，边界的交叉化可以提高运输效率。然而，这些结构究竟是如何形成的，以及它的生理意义，仍然没有被完全理解。

“它看起来几乎就像拉链上互锁的牙齿。研究人员还将这些结构描述为交叉的细胞边界，”Miura解释说，他领导了今天(4月21日)在iScience上发表的这项研究。“许多细胞具有交叉的细胞边界。例如，作为过滤器产生尿液的肾足细胞具有非常复杂的交错模式。植物叶表皮细胞看起来像一个拼图，以减少细胞壁上的机械应力。我们首先研究MDCK细胞的指间性，MDCK细胞是一种来自肾脏的上皮细胞，通常用于研究上皮模式的形成，当我们用数学方法分解细胞-细胞边界模式时，我们发现了一些意想不到的东西。事实证明，这些看似随机的结构根本不是随机的，事实上，在数学上是可缩放的。换句话说，图案具有自相似性——如果你放大边界，它与原始图案具有相同的特征。”

然后，研究小组探索了建立的数学模型，以了解交错模式如何以及为什么具有这种独特的形式。经过一系列的假设，他们得出了一个叫做爱德华兹-威尔金森模型的模型。爱德华兹-威尔金森模型用于数学模拟随机振动边界，该边界具有最小化该边界长度的函数。我们发现细胞边界的缩放符合这个模型，”Miura继续说道。“在此之后，我们的下一步是找到导致这些动力学的分子机制。”

该团队专注于肌动球蛋白的作用，肌动蛋白-肌动蛋白复合物负责细胞活动中几乎所有需要力量的东西。当仔细观察时，他们发现了特定的肌球蛋白蛋白，这些蛋白会定位在弯曲的细胞边界上。

Miura解释说，他们的新发现让他们更好地理解了细胞动力学的基本原理，并为发展生物学的数学基础做出了贡献。数学在化学和物理领域一直有着千丝万缕的联系。用数学方法来分解生物学的基本过程仍然是一个相对较新的领域，在过去的20年里发展得很明显，我认为这表明生物学领域正在走向成熟。随着我们在这一领域的发展，它将为我们提供关于生命基础和生物模式之美的新视角。

参考文献:Mechanism of interdigitation formation at apical boundary of MDCK cell