محبط عند المنعطف

قام عالم معهد وايزمان وشركاؤه البحثيون بتطوير نموذج حاسوبي يشرح الحركة الجماعية للخلايا

عندما يواجه أعضاء المجموعة صعوبة في التوصل إلى قرار مشترك، ويتجه كل منهم في اتجاه مختلف، فقد تكون النتيجة الإحباط والتقاعس عن العمل. في بعض الأحيان، من الإحباط، يولد حل وسط ينقذ المجموعة من الطريق المسدود ويقودها إلى طريق جديد لم يكن أحد من الأعضاء يهدف إليه. يبدو الأمر وكأنه حكاية اجتماعية، ولكن هذه اكتشافات جديدة حول هجرة الخلايا توصل إليها فريق دولي من العلماء، بما في ذلك البروفيسور نير جوف من قسم الفيزياء الكيميائية والبيولوجية في معهد وايزمان للعلوم. وقد نشرت الدراسة مؤخرا في المجلة العلمية Science Advances.

على غرار الطريقة التي تهاجر بها الأسماك أو الطيور في أسراب بأنماط منسقة، تهاجر الخلايا في أجسامنا أيضًا في "أسراب" وتنتج أنماط هجرة. تعد هجرة الخلايا في الجسم جزءًا من التطور الطبيعي، على سبيل المثال عند الجنين، أو مخصصة لأغراض "الصيانة الروتينية"، مثل التئام الجروح، ولكنها قد تميز أيضًا الحالات المرضية، مثل تكوين نقائل السرطان. كشفت الملاحظات المختبرية لنوع معين من الخلايا المهاجرة - الخلايا السرطانية في الجهاز المناعي - أنها عندما تتقدم في مجموعة (مجموعة من الخلايا) فإنها تتحرك في ثلاثة أنماط متميزة: "الجري" للأمام في اتجاه معين، والحركة الدورانية للخلايا. المجموعة حول محور أو حركة عشوائية وغير منسقة تكاد لا تتقدم خلالها المجموعة. "يبدو أن التحولات بين الأنماط المختلفة عشوائية تمامًا. "في 40% من الوقت، تتحرك الخلايا للأمام، ونحو ربع الوقت تتحرك في دوائر - وفي بقية الوقت تتحرك بشكل عشوائي"، يوضح البروفيسور حاكم الولاية. "كشفت ملاحظات أسراب الأسماك عن ثلاثة أنماط متشابهة: السباحة معًا في اتجاه واحد، أو الحركة الدائرية، أو الحركة العشوائية. ومع ذلك، في الأسماك، حدث الانتقال بين الحالات نتيجة الاصطدام بعائق، على سبيل المثال جدار الحوض، بينما يبدو أن الخلايا في الملاحظة غيرت أنماطها تلقائيًا.

ولفهم سبب تحرك الخلايا بين الحالات المختلفة وتحت أي ظروف، أنشأ العلماء نموذجًا حاسوبيًا تكون فيه كل خلية عبارة عن وحدة ذات اتجاه محدد تحاول مطابقة اتجاه حركتها مع متوسط ​​الخلايا المحيطة بها. أسفر هذا النموذج عن نمطين محتملين للهجرة - حالة النظام و"الجري" للأمام أو الفوضى والحركة العشوائية، ولكن ليس الحركة الدورانية. تأثرت التحولات بين الأنماط المختلفة بمستويات الضوضاء في النموذج - ففوق مستوى ضوضاء معين، لا يمكن تنسيق الخلايا وتحريكها بشكل عشوائي. "الخلية مخلوق صاخب. يقول البروفيسور جوف: "إن العمليات العشوائية داخل الخلية تجعلها تتحرك أحيانًا قليلاً إلى اليمين، وأحيانًا قليلاً إلى اليسار، ولكن ليس في نفس الاتجاه طوال الوقت". ويضيف: "بعد أن قمنا بتشغيل النموذج، سألنا أنفسنا لماذا لم نتمكن من التنبؤ بالحركة الدورانية أيضًا".

ولتحقيق هذه الغاية، أنشأ العلماء نموذجًا جديدًا لا يكون فيه النظام موحدًا: تتمتع الخلايا الموجودة في الغلاف الخارجي للمجموعة بقدرة حركية أعلى من الخلايا الموجودة في القلب. في هذا النموذج، قد يكون مستوى الضوضاء مرتفعًا جدًا بحيث لا يسمح بتنسيق الخلايا الأساسية، ولكنه منخفض بدرجة كافية بحيث تكون الخلايا الخارجية في حالة منظمة و"تريد" التحرك للأمام. الفجوة التي تنشأ في هذا النظام بين الخلايا الخارجية والداخلية تخلق حالة من الإحباط. يقول البروفيسور غوف: "إذا كانت الخلايا الخارجية "وحدها في العالم" فإنها "ستركض للأمام"، لكنها "عالقة" مع الخلايا الداخلية في العمل المتراكم. إذا فشلت الخلايا الخارجية في دفع الخلايا الأساسية للأمام، وشعرت المجموعة بأكملها بالإحباط، فإن الخيار الثاني الأفضل من حيث الخلايا الصدفية هو التحرك في دورات - وبهذه الطريقة تحافظ على حركة عالية وأيضًا على درجة معينة من التنسيق مع الخلايا الصدفية. الخلايا المجاورة لهم. إنهم يركضون في دائرة، ويتم سحب الخلايا الأساسية خلفهم."

إن قرار العلماء بإنتاج اختلاف في النموذج بين الخلايا الموجودة في الغلاف الخارجي والخلايا الأساسية لم يكن تعسفيًا. ومن المعروف أن حركة الخلايا تتناقص عندما تكون محاطة بالجيران. على سبيل المثال، الخلايا التي تنتج الأنسجة معًا - ليس من المفترض أن تتحرك في أي مكان؛ ومع ذلك، بمجرد وجود مساحة فارغة حولهم - على سبيل المثال عند فتح الجرح - تزداد حركتهم. ولذلك افترض العلماء أن الخلايا الموجودة في الغلاف الخارجي أكثر قدرة على الحركة، لأنها غير محاطة بجيرانها من جميع الجهات.

وركز العلماء أبحاثهم على الخلايا السرطانية، لكن الافتراض العملي هو أن النتائج صالحة لهجرة الخلايا بشكل عام. البحث هو نتيجة للتعاون بين الفيزيائيين وعلماء الأحياء وقادته طالبة البحث كاثرين كوبنهاغن من مجموعة البروفيسور أجاي جوبيناثان من جامعة كاليفورنيا، ميرسيد.

"عادة ما تفترض نماذج الحركة الجماعية سلوكًا موحدًا للأفراد. في هذه الدراسة رأينا أنه بمجرد أن يصبح النظام غير موحد، يتم إنشاء سلوكيات جديدة - حتى عندما تظل قواعد النظام دون تغيير. إحدى الآليات التي يمكن أن تنتج سلوكًا جديدًا هي "الإحباط"، كما يخلص البروفيسور نير غوف، الفيزيائي الذي يدرس الحركة الجماعية للكائنات الحية. "الحيوانات التي تتحرك في مجموعات، يمكنها رؤية أعضاء مجموعتها، أو الشعور بهم بطرق أخرى، ومعالجة المعلومات في أذهانها - واختيار مسار العمل المطلوب. لكن الخلايا، على عكس الأسماك أو الطيور، لا "ترى"، وليس لديها "دماغ" يمكنه معالجة المعلومات. فكيف يعرفون كيفية التكيف مع جيرانهم؟ وكجزء من بحثنا، أخذنا هذه القدرة كأمر مسلم به. قد تؤدي الدراسات المستقبلية أيضًا إلى كسر الآليات الجزيئية التي تسمح للخلايا بالهجرة في "النطاقات".