Luca Giomit már fiatal egyetemistaként elbűvölték a folyadékdinamika törvényei. Videofelvételeket látott egy tintasugaras nyomtatóból kiáramló cseppekről, és a párba állított videók gyakorlatilag egyformák voltak, holott az egyik nem is valódi felvétel volt, hanem szimuláció. „Teljesen el voltam ámulva” – mondja Giomi, a Leideni Egyetem kutatója. A szimuláció a folyadékdinamika matematikai törvényei szerint modellezte a tintacseppek viselkedését, Giomi és társai pedig azóta is azon dolgoznak, hogyan érhetnének hasonló pontossági szintet kicsit bonyolultabb rendszerek esetében.
Giomi csapata nemrégiben fontos lépést tett meg e cél felé. A Nature Physics című folyóiratban megjelent tanulmányukban arról számolnak be, hogy vizsgálataik szerint a bőrt alkotó és a belső szerveket borító hámszövetek lapjai folyadékkristályokként viselkednek. Vagyis olyan anyagokként, amelyek egyszerre rendezettek, mint a szilárd anyagok, de folyékonyak is, mint a folyadékok. A csapat kimutatta, hogy a hámszövetekben két különböző szimmetria létezik egymás mellett.
Ezek az eltérő szimmetriák, amelyek meghatározzák, hogy a hámszövetek hogyan reagálnak a fizikai erőkre, különböző léptékekben jelennek meg.
A csapat eredményei pontosabbá tehetik az élő szövetekre alkalmazott folyadékdinamikai szimulációkat. Giomi azt reméli, hogy idővel a jobb modellekkel megjósolhatják, hogyan mozognak és deformálódnak az emberi szövetek a különféle folyamatok során, a sebgyógyulástól a rákos áttétképződésig. „Ez egy nagyszerű tanulmány. Valóban részletesebben írják le a hámok szimmetriáját, mint ahogyan azt eddig bárki tette” – mondja Linda Hirst, a Kaliforniai Egyetem fizikusa, aki nem vett részt a vizsgálatban.
Áramlás és szimmetria
A folyadékkristályok folyadékként áramlanak, de mégis rendelkeznek bizonyos fokú kristályos rendezettséggel, egyfajta eredendő szimmetriával vagy irányultsággal, amely egy kicsit olyan, mint a fák erezete. És ahogyan egy fa deszka is az erezet mentén a legerősebb, a folyadékkristályok ingerekre adott reakciója is a szimmetriától és az irányultságtól függ. Ez az anizotrópiának nevezett irányítottság az az optikai jelenség, amely a modern folyadékkristályos kijelzők működésének hátterében áll, lehetővé téve, hogy a fény a tájolástól függően másképpen törjön.
Bár a folyadékkristályok fogalma ismerősebb lehet a kijelzők kapcsán, újabban a sejtbiológiában is gyakran felbukkan, például a sejtek belseje és a sejtmembránok kapcsán találhatók. És az elmúlt néhány évben kutatók sora próbálta megmutatni, hogy a szöveteket – a sejtek szervezett, együttesen működő csoportjait – is folyadékkristályoknak tekinthetjük.
Ha pedig ez így van, és a szöveteket folyadékkristályokként lehet leírni, akkor a fizikusok által a kristályok erőhatásokra adott reakciójának előrejelzésére használt eszközkészletet a biológiában is be lehetne vetni, mondja Hirst.
Ezek az erőfeszítések azonban geometriai akadályba ütköztek. A kísérleti kutatók és a teoretikusok nem tudtak megegyezni a szövetek szimmetriáját illetően – pedig ez a folyadékkristályok legmeghatározóbb jellemzője, és a kulcsa annak, hogy a folyadékdinamika segítségével megjósolható legyen a viselkedése. Kis sejtcsoportok szimulációi során a teoretikusok a szöveteket hatszoros „hexatikus” szimmetriájú folyadékkristályokként írták le, mintha hatszögletű csempékből állnának. A kísérletek alapján azonban a szövetek ehelyett kétszeres „nematikus” szimmetriájú, sávos részekből álló folyadékként viselkednek, mintha egy maréknyi fogpiszkálót dobnánk egy csőbe, és figyelnénk, ahogy áramlanak.
Livio Carenza, az isztambuli Koç Egyetem számítógépes fizikusa, Giomi csoportjának korábbi tagja előzetes szimulációi azt sugallták, hogy ez az ellentmondás feloldható lehet, ha mindkét szimmetria, a hatszoros és a kétszeres egyszerre létezik a szövetekben. Az elképzelés az volt, hogy ha ráközelítünk egy nematikus szimmetriájú szövetre, akkor kisebb léptékű hexatikus szimmetriát találunk. „De az elméletet nem lehet elmélettel igazolni. Ezért elvégeztük a kísérleteket” – mondja Giomi.
Új folyékony rend
Az élő szövettenyészetekből való adatgyűjtést Julia Eckert, a Leideni Egyetem akkori doktorandusza, azóta a Queenslandi Egyetem biofizikusa kezdte meg Giomi irányítása alatt. Eckert azzal kezdte, hogy vékony hámszövetrétegeket növesztett a laboratóriumban. Ezután mikroszkópos felvételeken gondosan kijelölte az egyes sejtek határait. Ekkor Giomi és csapata is munkához láthatott. Meg akarták nézni, hogy a szövet szimmetriája különbözik-e a kisebb léptékekben – amikor csak néhány sejtet és szomszédjaikat vették figyelembe – és nagyobb léptékekben.
Ahhoz, hogy elkülönítsék Eckert sejtrétegein az esetlegesen egymásba ágyazott szimmetriákat, a csapatnak megbízható módszerre volt szüksége, hogy a rendezetlen biológiai adatokban megkülönböztessék a nematikus és a hexatikus rendet. A leideni csapat tagjai erre egy alakzattenzornak nevezett matematikai objektumot találtak ki, amely a sejtek alakjára és irányára vonatkozó információkat rögzítette. Eckert ennek segítségével különböző léptékekben mérte a szövetek szimmetriáit, először az egyes sejteket kezelve a kristály alapegységeiként, majd különböző méretű sejtcsoportokkal is megismételve ugyanezt.
Kis léptékben úgy találták, hogy a szövet hatszoros forgási szimmetriával rendelkezik, és egy kicsit úgy néz ki, mint egy összenyomott hatszögekből álló csemperéteg.
Amikor azonban 10 sejtnél nagyobb csoportokat vizsgáltak, kétszeres rotációs szimmetria jelentkezett. A kísérleti eredmények összhangban voltak Carenza szimulációival. „Egészen elképesztő volt, hogy a kísérleti adatok és a numerikus szimuláció milyen jól egyeztek” – mondja Eckert.
A megfigyelések választ adnak egy régóta fennálló kérdésre, hogy milyen típusú rend van a szövetekben, mondja Joshua Shaevitz, a Princeton fizikusa, a tanulmány egyik lektora. Szerinte a tudomány gyakran zavarossá válik, amikor az adatok látszólag egymásnak ellentmondó igazságokra mutatnak rá – ebben az esetben az egymásba ágyazott szimmetriákra. „Aztán valaki megmutatja, hogy mindkét dolog egyszerre is igaz lehet” – mondja a kutató.
Forma, erő és funkció
Egy folyadékkristály szimmetriájának pontos meghatározása nem csupán matematikai feladat. A szimmetriától függően a kristály feszültségtenzora – az a mátrix, amely leírja, hogyan deformálódik egy anyag feszültség hatására – eltérő lesz. Ez a tenzor jelenti a matematikai kapcsolatot a folyadékdinamikai egyenletek felé, amelyekkel Giomi a fizikai erőket és a biológiai funkciókat kívánja összekapcsolni.
A hexatikus rendből a nematikus rendbe való átmenet pontos következményei még nem világosak, de a csapat gyanítja, hogy a sejtek bizonyos fokú kontrollt gyakorolhatnak az átmenet felett. Arra is van bizonyíték, hogy a nematikus rend kialakulásának köze van a sejtek megtapadásához, mondják a kutatók. Annak kiderítése, hogy a szövetekben hogyan és miért jelenik meg ez a két egymásba fonódó szimmetria, a jövő feladata.
Giomi már jelenleg is azon dolgozik, hogy az eredményeket felhasználva megértse, hogyan áramlanak a rákos sejtek a szervezetben, amikor áttétet képeznek.
Shaevitz szerint pedig nagyon érdekes kérdés lehet, hogy egy szövet több skálájú folyadékkristályossága hogyan áll kapcsolatban az embriogenezissel – azzal a folyamattal, amelynek során az embrionális sejtek organizmussá formálódnak.
A szöveti biofizika központi koncepciója, hogy a struktúrák erőket, az erők pedig funkciókat eredményeznek, mondja Giomi. Vagyis a több skálájú szimmetria szabályozása része lehet annak, hogy a szövetek többé válnak sejtjeik puszta összességénél. „Ez a forma, az erő és a funkció háromszöge. A sejtek az alakjukat használják az erők szabályozására, ezek pedig a mechanikai funkcionalitás motorjaként szolgálnak” – mondja a szakértő.
