和地球上的许多生物一样，当细胞经历拥挤时，它们可能会感到压力。然而，与大多数其他生命形式不同，受到邻居拥挤的物理压力的细胞可以通过大幅减缓自身生长来缓解压力——这样做的结果就是形成引人注目的同心圆图案。

这一过程是通过模拟和建模细菌菌落分裂而发现的，发表在《物理评论快报》上的一项新研究中进行了描述。这项研究的主要作者、纽约市Flatiron研究所计算生物学中心的研究员ScottWeady表示，这一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新方法。

“我很惊讶地发现，在这种机械压力下，细胞竟然能以这种方式减缓生长，”韦迪说。“有趣的是，它们形成这些同心圆，每个圆环都显示出它们受到邻居的抑制程度，最终影响了它们能长到多大。这是一个强大的模式，源于一个非常简单的规则，只是以前没有人真正想过要测量它。”

韦迪与Flatiron研究所的研究员布莱斯·帕尔默(BrycePalmer)、亚当·拉姆森(AdamLamson)、雷扎·法哈迪法(RezaFarhadifar)和迈克尔·雪莱(MichaelShelley)以及普渡大学的泰允·金(TaeyoonKim)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，或者用他的话来说，就是小规模规则如何控制大规模行为。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。

该团队首先采用探索性方法，研究细菌菌落生长的模拟情况。一开始，他们研究的是细胞大小调节等更普遍的指标，但后来他们开始注意到一种模式。

通常情况下，细胞增殖过程呈指数级增长：一个细胞分裂成两个，其后代细胞也分裂成两个，如此反复，以不断增加的速度增长。然而，在模拟中，研究小组发现细胞并没有像预期的那样分裂——事实上，随着环境变得更加拥挤，它们的增殖速度显著减慢。

“从单个细胞开始，它几乎感受不到压力。然后它分裂，这些细胞分裂，靠近中心的细胞受到的压力越来越大，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，”韦迪说。“因此，当你向圆圈的边缘移动时，你会看到这些不均匀的压力敏感带，表现为同心圆。”

这项初步研究基于粒子模拟，该模拟说明了增殖过程在相对较少的细胞中如何进行。基于这些数据，该团队随后开发了所谓的连续模型，该模型估计了该过程在大量细胞中如何进行。

“通过粒子模拟，你看到的是一些离散的东西——在这个例子中是随时间追踪的细菌，”韦迪说。“但连续体模型的运作方式不同，它假设粒子的数量非常大，这样你就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，并了解它的稳健性。”

令人兴奋的是，研究小组发现他们的连续模型与他们在粒子模拟中看到的情况非常吻合，这表明他们的猜测是正确的：被逼到角落的细胞将减缓自身的生长，从而在此过程中形成一种令人震惊的模式。

控制细胞生长

细胞增殖具有研究价值，因为它是一个非常基本的过程，而且当增殖细胞有害时(例如：细菌感染)，它们会引起有害影响。

“弄清楚这个过程是如何自然调节的以及如何控制它很重要，”韦迪说。“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。”

本研究开发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想要研究细胞反应方式的扰动(无论是通过压力、营养获取还是其他因素)的人来说是一个有用的工具，”韦迪说。“使用这样的模型可以非常清楚地提出这些问题，因此就其更广泛的应用而言，我发现这令人兴奋。”

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