Many-body interactions between contracting living cells

प्रत्येक जीवित ऊतक के भीतर, धड़कते हृदय से लेकर उपचार होते त्वचा तक, व्यक्तिगत कोशिकाएं लगातार एक-दूसरे पर दबाव डालती और खींचती रहती हैं। वे शून्य में अस्तित्व में नहीं हैं; इसके बजाय, वे एक नरम, जेली जैसे मचान (scaffold) में धंसी हुई हैं जिसे बाह्यकोशिकीय मैट्रिक्स (extracellular matrix) कहा जाता है। यह वातावरण केवल निष्क्रिय भराव नहीं है; यह एक यांत्रिक माध्यम है जो बलों को संचारित करता है। जब एक कोशिका संकुचित होती है, तो वह अपने आस-पास की सामग्री को दबाती है, जिससे एक विरूपण (deformation) की लहर उत्पन्न होती जो बाहर की ओर यात्रा करती है। पास की अन्य कोशिकाएं इस दबाव को महसूस कर सकती हैं, ठीक वैसे ही जैसे ट्रैम्पोलिन पर खड़ा व्यक्ति किसी दूसरे के कूदने से होने वाली हलचल को महसूस करता है। दशकों से, वैज्ञानिक समझते आए हैं कि कोशिकाएं इन यांत्रिक संकेतों को महसूस कर सकती हैं और उनके जवाब में अपने व्यवहार को समायोजित कर सकती हैं, एक प्रक्रिया जिसे मैकेनोट्रांसडक्शन (mechanotransduction) कहा जाता है। हालांकि, बड़ा सवाल यह रहा है कि जब एक साथ कई कोशिकाएं शामिल हों, तो यह संवेदन कैसे काम करता है। क्या कोशिकाओं के समूह द्वारा महसूस किया गया कुल बल केवल जुड़ जाता है, जैसे तराजू पर वजन रखना, या क्या कई पड़ोसियों की उपस्थिति एक अधिक जटिल, सामूहिक व्यवहार पैदा करती है जिसे केवल जोड़ों (pairs) को देखकर नहीं समझा जा सकता?

शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक जीवित कोशिकाओं के समूह को एक अनंत, रैखिक लोचदार (linearly elastic) पदार्थ में धंसी हुई पूर्ण गोलों के रूप में मॉडल करके इसका उत्तर देने का प्रयास किया। उन्होंने इन कोशिकाओं को स्थिर वस्तुओं के रूप में नहीं, बल्कि सक्रिय एजेंटों के रूप में कल्पना की जो अपने आंतरिक बल उत्पन्न करते हैं। अपने सरलतम मॉडल में, उन्होंने "मृत" कोशिकाओं पर विचार किया जो अपने परिवेश की परवाह किए बिना एक निरंतर, अपरिवर्तित बल लगाती हैं। इस परिदृश्य में, कोशिकाओं के बीच की अंतःक्रिया सीधी और पूर्वानुमानित है; प्रणाली की कुल ऊर्जा प्रत्येक संभावित पड़ोसी के बीच की अंतःक्रियाओं का योग मात्र है। हालांकि, शोधकर्ता "जीवित" कोशिकाओं में अधिक रुचि रखते थे। ये वे कोशिकाएं हैं जो अपनी सतह पर लगने वाले बलों और विरूपणों को माप सकती हैं और अपने आकार या स्थिति को बनाए रखने के लिए अपनी आंतरिक मशीनरी को सक्रिय रूप से समायोजित कर सकती हैं। ठीक वैसे ही जैसे कोई व्यक्ति चलती नाव पर संतुलन बनाए रखने के लिए अपना वजन बदल सकता है, ये कोशिकाएं अपने पड़ोसियों द्वारा उत्पन्न विकृतियों का मुकाबला करने के लिए अपने संकुचन बलों को ट्यून करती हैं, यह सुनिश्चित करते हुए कि वे अपने आस-पास की उथल-पुथल के बावजूद पूरी तरह से गोलाकार बनी रहें।

जब तीन या अधिक ऐसी सक्रिय, आकार-नियमन करने वाली कोशिकाएं एकत्र होती हैं, तो क्या होता है, इसे समझने के लिए शोधकर्ताओं ने विस्तृत सैद्धांतिक गणनाएँ कीं। उन्होंने एक सीधी रेखा में व्यवस्थित तीन और चार कोशिकाओं के समूहों के लिए, और भी कोशिकाओं की एक अनंत पंक्ति के लिए, बलों और विस्थापन का मानचित्रण किया। उन्होंने वास्तविक ऊर्जा की तुलना, जो सभी कोशिकाओं के एक साथ अंतःक्रिया करने पर प्रणाली में संचित होती है, एक काल्पनिक परिदृश्य से की जहाँ कुल ऊर्जा को केवल प्रत्येक जोड़े के बीच की अंतःक्रियाओं को जोड़कर निकाला जाता है। यदि सरल जोड़ के नियम सत्य होते, तो जटिल समूह व्यवहार उसके हिस्सों का योग मात्र होता। हालांकि, परिणामों ने एक आश्चर्यजनक सत्य प्रकट किया: संपूर्ण अपने हिस्सों के योग के बराबर नहीं है।

अध्ययन में पाया गया कि कोशिकाएं अपने व्यवहार को कैसे नियंत्रित करती हैं, यह उनके सामूहिक अंतःक्रिया की प्रकृति को मौलिक रूप से बदल देता है। जब कोशिकाएं अपने स्थान को स्थिर रखते हुए अपने आकार को बनाए रखने के लिए प्रोग्राम की जाती हैं, तो समूह की कुल ऊर्जा वास्तव में उस भविष्यवाणी से कम होती है जो जोड़ों की अंतःक्रियाओं को जोड़ने से प्राप्त होती है। इस मामले में, तीसरे या चौथे पड़ोसी की उपस्थिति वास्तव में समूह द्वारा आवश्यक कुल यांत्रिक प्रयास को कम कर देती है। इसके विपरीत, जब कोशिकाओं को अपना आकार बनाए रखने के लिए अपनी स्थिति बदलने की अनुमति दी जाती है, तो समूह की कुल ऊर्जा जोड़ों के भविष्यवाणियों के योग से अधिक होती है। इसका अर्थ है कि चलने वाली कोशिकाओं के लिए, सामूहिक अंतःक्रिया एक अतिरिक्त यांत्रिक बोझ पैदा करती है जिसे केवल जोड़ों को देखकर नहीं समझाया जा सकता। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि साधारण जोड़ से यह विचलन एक मामूली विवरण नहीं है, बल्कि कोशिकाओं के सक्रिय नियमन द्वारा संचालित एक महत्वपूर्ण प्रभाव है।

टीम ने यह भी खोजा कि कोशिकाओं के बीच की दूरी एक विशिष्ट तरीके से मायने रखती है। उन कोशिकाओं के लिए जो अपना स्थान स्थिर रखती हैं, अंतःक्रिया ऊर्जा उनके दूर जाने पर बहुत तेजी से गिरती है, जो दूरी की चौथी घात (fourth power) से संबंधित एक तीव्र गिरावट का अनुसरण करती है। उन कोशिकाओं के लिए जो स्वतंत्र रूप से हिल सकती हैं, ऊर्जा और भी तेजी से गिरती है, जो छठी घात (sixth power) के संबंध का अनुसरण करती है। यह तीव्र गिरावट का अर्थ है कि ये जटिल, बहु-कोशिकीय अंतःक्रियाएं तब सबसे महत्वपूर्ण होती हैं जब कोशिकाएं आपस में सघन रूप से जुड़ी होती हैं, जो कि घने जैविक ऊतकों में पाई जाने वाली स्थिति है। शोधकर्ताओं ने सत्यापित किया कि ये निष्कर्ष तब भी सत्य रहते हैं जब उन्होंने तीन कोशिकाओं के छोटे समूह को देखा या उनकी एक अनंत पंक्ति का अनुकरण किया, जिससे यह पुष्टि हुई कि यह प्रभाव सक्रिय पदार्थ का एक मौलिक गुण है न कि किसी विशिष्ट व्यवस्था का संयोग।

अंततः, यह कार्य प्रदर्शित करता है कि जीवित ऊतकों की यांत्रिकी को कोशिकाओं के अलगाव या जोड़ों के अध्ययन से पूरी तरह से नहीं समझा जा सकता है। कोशिकाओं की सक्रिय, नियामक प्रकृति एक गैर-रेखीय जटिलता की परत पेश करती है जहाँ समूह का व्यवहार प्रत्येक व्यक्तिगत के सामूहिक समायोजन से उभरता है। भले ही आस-पास की सामग्री एक सरल, रैखिक तरीके से व्यवहार करती है, लेकिन अपने पड़ोसियों को महसूस करने और प्रतिक्रिया देने की कोशिकाओं की क्षमता एक परिष्कृत, 'मेनी-बॉडी' (many-body) अंतःक्रिया बनाती है। यह निष्कर्ष बताता है कि ऊतकों के निर्माण, उपचार या कार्य करने को वास्तव में समझने के लिए, वैज्ञानिकों को इन उच्च-क्रम की अंतःक्रियाओं को ध्यान में रखना चाहिए, जहाँ तीसरे सेल की उपस्थिति पहले दो के लिए जुड़ाव के नियमों को बदल देती है। यह अध्ययन इन अंतःक्रियाओं के लिए एक स्पष्ट गणितीय ढांचा प्रदान करता है, जो दर्शाता है कि जीवित दुनिया सरल जोड़ से कहीं आगे के सामूहिक नियमन के सिद्धांतों पर कार्य करती है।