细胞边界坚固性的数学

研究人员发现了肾脏和鼻腺等组织中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。

我们的细胞有各种形状和大小。从延伸到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，细胞的形式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，同样具有重要的实用性。

一种这样的中间结构是上皮细胞之间常见的“崎岖”或“波浪”模式，上皮细胞是一种覆盖皮肤和大多数其他器官和血管的细胞。在显微镜下，这些图案可能看起来很不规则，但对九州大学医学科学学院的TakashiMiura教授来说，这是一个令人着迷的课题。

“它几乎看起来像拉链上的互锁齿。研究人员还将这些结构描述为相互交叉的细胞边界，”领导这项发表在iScience上的研究的三浦解释道。“许多细胞具有交错的细胞边界。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。植物叶片表皮细胞看起来像拼图游戏，以减少细胞壁上的机械应力。”

上皮细胞的一个关键功能是促进分子和液体在所述细胞边界之间的运输，这一过程称为细胞旁路运输。最近的研究表明，边界的相互交叉可以提高运输效率。然而，这些结构究竟是如何形成的——及其生理学意义——仍未完全明了。

“我们首先研究了MDCK细胞的交叉，MDCK细胞是一种最初来自肾脏的上皮细胞，通常用于研究上皮模式的形成，”Miura说。“当我们从数学上分解细胞-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，实际上在数学上是按比例缩放的。换句话说，这种模式具有自相似性——如果你放大了边界，它与原始模式具有相同的特征”

然后，该团队探索了已建立的数学模型，以了解叉指模式如何以及为何具有这种独特的形式。在做出一些可行的假设之后，他们找到了一个称为爱德华兹-威尔金森模型的模型。

“Edwards-Wilkinson模型用于在数学上模拟随机摇动的边界，并具有最小化该边界长度的功能。我们发现细胞边界的缩放符合该模型，”Miura继续说道。“在此之后，我们的下一步是找到负责这些动力学的分子机制。”

该团队专注于肌动蛋白的作用，肌动蛋白-肌球蛋白复合物负责几乎所有需要细胞活动的力量。在仔细观察时，他们发现了特定的肌球蛋白，这些肌球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了解细胞动力学的基本原理，并有助于发展生物学数学基础的更大趋势。

“数学在化学和物理领域一直有着千丝万缕的联系。用数学方法分解生物学中的基本过程仍然是一个相对较新的领域，在过去20年里发展迅速，”他总结道。“我认为这表明生物学领域正在成熟。随着我们发展这一领域，它将为我们提供关于生命基础和生物模式之美的新视角。”

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