拥挤造成的细胞压力导致细胞生长缓慢和呈圆形

　　

就像地球上的许多生物一样，当细胞经历了拥挤的程度时，它们可能会感到压力。然而，与大多数其他生命形式不同的是，由于邻居的拥挤而受到生理压力的细胞可以通过显著减缓自身的生长来缓解压力。在这样做的过程中，形成了一个引人注目的同心圆图案，作为一个壮观的结果。

这一过程是通过细菌菌落分裂的模拟和建模发现的，在10月10日发表的一篇新的《Physical Review Letters》研究中进行了描述。该研究的主要作者、纽约市熨熨铁研究所计算生物学中心的研究员Scott Weady说，这些发现可能为减缓感染或制造过程中有害微生物的生长提供了新的方法。Flatiron研究所计算生物学中心研究员Scott Weady说：“我非常惊讶地发现，在这种机械压力下的细胞可以以这种方式减缓生长。有趣的是，它们形成了这些同心圆，每一个环都显示了它们被邻居窒息的程度，最终影响了它们能长到多大。这是一个非常简单的规则产生的强大模式，只是以前没有人真正想过要测量的东西。

Weady与Flatiron研究所的其他研究人员Bryce Palmer， Adam Lamson， Reza Farhadifar和Michael Shelley以及普渡大学的Taeyoon Kim共同撰写了这项研究。

深入研究细胞分裂

Weady的团队对生物物理建模很感兴趣。或者，正如他所说，小尺度规则如何支配大尺度行为。在这种情况下，他的团队想要研究细胞增殖，即细胞分裂以产生更多自身副本的过程。

该小组从一种探索性的方法开始，研究了细菌菌落生长的模拟。一开始，他们关注的是更一般的指标，比如细胞大小调节，但后来开始注意到一种模式。

一般来说，细胞增殖过程呈指数增长：一个细胞分裂成两半，其后代也分裂成两半，以此类推，以不断增长的速度继续生长。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，随着环境变得更加拥挤，它们的增殖速度显著放缓。

“你从一个单细胞开始，它感觉不到压力。然后它分裂，这些细胞分裂，靠近中心的细胞受到越来越大的压力，因为它们受到的压力越来越大，这导致它们的生长速度减慢，”Weady说。“所以当你向圆的边缘移动时，你会得到这些不均匀的应力敏感带，它们表现为同心圆。”

这项最初的工作是基于粒子模拟，它说明了增殖过程是如何在相对较少的细胞中进行的。基于这些数据，该团队随后开发了所谓的连续体模型，该模型估计了该过程如何在大量细胞中发挥作用。

“通过粒子模拟，你看到的是离散的东西；在这种情况下，你要追踪的是细菌，”Weady说。“但是连续体模型的运作方式不同，它假设粒子的数量非常大，所以你可以把它表示为连续的材料。这有助于我们更好地在更大范围内研究这一过程，并了解它的健壮性。”

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非常吻合，这表明他们的预感是正确的：被退到角落的细胞会减缓自己的生长，在这个过程中形成一个引人注目的模式。

控制细胞生长

研究细胞增殖是有价值的，因为它是一个如此基本的过程，但也因为当增殖的细胞是有害的（想想：细菌感染），它们会造成有害的影响。

“重要的是要弄清楚这个过程是如何自然调节的，以及如何控制它，”Weady说。“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，促进这些因素可以减缓指数增长。”

本研究建立的模型也可以作为研究其他细胞行为的基础。

“我认为这个模型对于那些想要观察细胞反应方式的扰动的人来说是一个有用的工具，无论是通过压力，营养获取还是其他东西，”Weady说。“如何用这样一个模型来问这些问题非常清楚，所以我觉得它能带来更广泛的好处，这令人兴奋。”