一个数学观包装细胞

麻省理工学院和普林斯顿大学的联合研究显示背后的数学生物细胞定位。

胚胎发育的一个关键挑战复杂的生命形式是正确的规范的细胞位置这样的器官和四肢长在正确的地方。

理解细胞如何安排自己在发展的早期阶段,应用数学家的一个跨学科团队在麻省理工学院和普林斯顿大学的实验确定的数学原则相互关联的单元组件的包装。

在一篇名为《在细胞谱系树包装熵的影响。”本月出版自然物理,团队报告直接实验观察和数学建模的细胞在凸附件包装,一个生物包装问题中遇到很多复杂的有机体,包括人类。

在他们的研究中,作者研究了多细胞包装在果蝇的卵室黑腹果蝇,一个重要的发展模式生物。

每个蛋室包含16个生殖细胞细胞质连接的桥梁,造成一系列的完整的细胞分裂。联系形成一个分支细胞谱系树大约由一个封闭的球形壳。

后期,一个16细胞发展成可受精的鸡蛋,和相对定位的细胞被认为是重要的生化信号交换在开发的早期阶段。

集团由普林斯顿大学的斯坦尼斯拉夫y .当然,化学和生物工程教授,Lewis-Sigler普林斯顿大学整合基因组学研究所成功地测量单个细胞之间的空间位置和连接性钱伯斯在100多个鸡蛋。然而,实验发现很难解释为什么某些树的配置比别人更频繁地发生,乔恩•邓克尔说,在麻省理工学院数学系副教授。

虽然当然的团队能够想象细胞连接在复杂的生物系统,邓克尔博士后Norbert弯腰,最近麻省理工学院的数学老师,开始开发一个数学框架来描述观察到的统计单元包装。

“这个项目是一个典型的例子之间的跨学科合作非常愉快的细胞生物学和应用数学,“邓克尔说。当然执行的实验的博士生茉莉花伊姆兰Alsous,谁将开始一个博士后职位亚当·马丁的实验室今年秋天在麻省理工学院生物学系。他们分析与博士后保罗Villoutreix合作,现在在以色列魏茨曼科学研究所的。

邓克尔指出,尽管人类生物学比果蝇的复杂得多,底层组织组织过程有许多共同的方面。

“蛋室细胞树存储细胞分裂的历史,像一个祖先树在某种意义上,”他说。“我们所能做的就是包装细胞树的问题映射到一个鸡蛋室到一个很简单的数学模型,主要问:如果你把基本凸多面体有16个顶点,有多少不同的方式嵌入在16个细胞的同时,将所有完整的桥梁?”

刚性的存在细胞之间的物理连接了大量有趣的新约束,使问题不同于通常被认为是包装的问题,比如如何安排的问题橙子有效,这样就可以尽可能少的集装箱运输。邓克尔和他的同事们的跨学科研究,结合现代生化蛋白标签技术,三维共焦显微镜、计算机图像分析,数学建模,表明约束树包装出现问题自然生物系统。

理解细胞的包装原则在不同开发阶段的组织仍然是一个重大的挑战。根据各种生物和物理因素,细胞来自单一创始人细胞可以开发以截然不同的方式形成肌肉、骨骼和器官,如大脑。”而发展的过程涉及到大量的自由度,最终的结果在许多情况下是高度复杂的但也很可再生的和健壮的、“邓克尔说。

”这就提出了一个问题,很多人问过,是否这样健壮的复杂性可以被理解的一个基本组生化、生理、和数学规则,”他说。“我们的研究显示,简单的物理约束,比如信息桥梁因不完整的部门,可以显著影响细胞包装。从本质上讲,我们正在试图做的是确定相对简单易处理的模型,使我们对这些复杂的系统进行预测。当然,要完全理解胚胎发育,数学简化必须伴随从生物学实验的洞察力。”

因为不完整的细胞分裂也在两栖动物,软体动物,鸟类和哺乳动物,邓克尔希望本文中所开发的建模方法可能适用于这些系统。

“物理约束可能扮演了一个重要的角色在决定偏好某些类型的多细胞组织,这可能对大规模的组织动力学产生二次影响还不清楚。一个简单的方法你可以想想,这些胞质桥、或其他物理连接,可以帮助机体本地化细胞到所需的位置,”他说。“这似乎是一个非常健壮的策略。”

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