כמו כל כך הרבה אורגניזמים על פני כדור הארץ, כאשר תאים חווים צפיפות ברמת בור, הם עלולים פשוט להילחץ. אולם בניגוד לרוב צורות החיים האחרות, תאים הכפופים ללחץ פיזי מהצפיפות על ידי שכנים יכולים למצוא הקלה מסוימת על ידי האטה דרמטית של הצמיחה שלהם עצמם -; ובכך יוצרים תבנית מושכת עין של עיגולים קונצנטריים כתוצאה מרהיבה.
תהליך זה, שהתגלה באמצעות סימולציות ומודלים של מושבות חיידקים מתחלקות, מתואר בחדש מכתבי סקירה פיזית מחקר שפורסם ב-10 באוקטובר. הממצאים יכולים להציע דרכים חדשות להאט את צמיחתם של מיקרואורגניזמים מזיקים בזיהומים או בייצור, אומר מחבר המחקר סקוט ווידי, עמית מחקר במרכז לביולוגיה חישובית של מכון פלטירון בניו יורק.
בהחלט הופתעתי לראות שתאים תחת סוג זה של לחץ מכני יכולים להפחית את הצמיחה בדרך זו. זה מעניין שהם יוצרים את המעגלים הקונצנטריים האלה שבהם כל טבעת מראה כמה הם נחנקו על ידי שכניהם, ובסופו של דבר משפיעים על גודלם. זה דפוס חזק שמגיע מכלל מאוד פשוט, וזה פשוט משהו שאף אחד לא באמת חשב למדוד לפני כן".
סקוט ווידי, עמית מחקר, המרכז לביולוגיה חישובית, מכון פלטירון
ווידי כתב את המחקר יחד עם חוקרי מכון פלטירון, ברייס פאלמר, אדם למסון, רזה פרהדיפר ומייקל שלי, כמו גם טאיון קים מאוניברסיטת פרדו.
צלילה עמוקה לתוך תאים מתחלקים
הקבוצה של ווידי מתעניינת במודלים ביו-פיזיים -; או, כפי שהוא מנסח זאת, כיצד חוקים בקנה מידה קטן שולטים בהתנהגויות בקנה מידה גדול. במקרה זה, הצוות שלו רצה לחקור את התפשטות התאים, התהליך שבו תאים מתחלקים כדי ליצור עוד עותקים של עצמם.
הקבוצה החלה בגישה חקרנית, בוחנת סימולציות של גידול מושבות חיידקים. בהתחלה, הם בחנו מדדים כלליים יותר כמו ויסות גודל התא, אבל אז התחילו לשים לב לדפוס.
בדרך כלל, תהליך התפשטות התאים הוא אקספוננציאלי: תא מתפצל לשניים, והצאצאים הללו מתפצלים לשניים, וכן הלאה, כדי להמשיך ולגדול בקצב הולך וגובר. עם זאת, בסימולציות שלהם, הצוות שם לב שהתאים לא מתחלקים כפי שהיית מצפה -; למעשה, קצב ההתפשטות שלהם הואט באופן משמעותי ככל שהסביבה שלהם הפכה צפופה יותר.
"אתה מתחיל עם תא בודד, שמרגיש מעט או ללא לחץ. ואז הוא מתחלק, והתאים האלה מתחלקים, והתאים הקרובים יותר למרכז נלחצים יותר ויותר כי יש יותר דחיפה עליהם, וזה גורם להם להאט את צמיחה", אומר ווידי. "ולכן כשאתה נע לעבר קצה המעגל, אתה מקבל את הרצועות האלה של רגישות למתח לא אחידה שמתבטאים כמעגלים קונצנטריים."
עבודה ראשונית זו מבוססת על הדמיות חלקיקים, הממחישות כיצד תהליך ההתפשטות מתרחש במספר קטן יחסית של תאים. בהתבסס על נתונים אלה, הצוות פיתח אז מה שנקרא מודל רצף, אשר מעריך כיצד התהליך יכול לעבוד במספר גדול מאוד של תאים.
"עם הדמיות חלקיקים, אתה מסתכל על משהו דיסקרטי – במקרה הזה חיידקים שאתה עוקב אחריהם לאורך זמן", אומר ווידי. "אבל מודל הרצף פועל אחרת, בהנחה שמספר החלקיקים גדול מאוד, כך שניתן לייצג אותו כחומר רציף. זה עוזר לנו לחקור טוב יותר את התהליך בקנה מידה גדול יותר ולהבין עד כמה הוא חזק".
למרבה הפלא, הצוות מצא שמודל הרצף שלהם תואם היטב את מה שהם ראו בהדמיות החלקיקים, מה שמרמז שהניחוש שלהם היה נכון: תאים שנגבו לפינה יאטו את הצמיחה שלהם, ויצרו דפוס מעצר בתהליך.
אחיזה בצמיחת תאים
התפשטות תאים חשובה למחקר כי זהו תהליך כה בסיסי, אך גם כי כאשר התאים המתרבים מזיקים (חשבו: זיהום חיידקי), הם עלולים לגרום להשפעות מזיקות.
"חשוב להבין כיצד התהליך מווסת באופן טבעי, כמו גם כיצד לשלוט בו", אומר ווידי. "המודל שלנו מזהה גורמים סביבתיים שיכולים לשפר את תגובת התא ללחץ מכני, וקידום גורמים אלה עלול להאט את הצמיחה האקספוננציאלית".
המודל שפותח במחקר זה יכול לשמש גם כבסיס לחקירת התנהגויות סלולריות אחרות.
"אני חושב שהמודל הוא כלי שימושי לאנשים שרוצים להסתכל על הפרעות באופן שבו התאים מגיבים, בין אם באמצעות מתח, גישה לחומרים מזינים או משהו אחר", אומר ווידי. "ברור מאוד איך לשאול את השאלות האלה עם דגם כזה, אז אני מוצא את זה מרגש בכל מה שזה יאפשר באופן רחב יותר".