Discontinuous buckling from cytoplasmic mechanics in vertex models of epithelia
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि उपकला (एपिथेलिया) के वर्टेक्स मॉडलों में साइटोप्लाज्मिक यांत्रिकी को शामिल करने से संपीड़न (कंप्रेशन) के तहत एक असंतत बकलिंग संक्रमण (डिस्कंटीन्यूअस बकलिंग ट्रांजिशन) का पता चलता है, जो एक छठे क्रम के लैंडौ सिद्धांत (सिक्सथ-ऑर्डर लैंडौ थ्योरी) में ट्रिक्रिटिकल बिंदुओं द्वारा समझाया गया एक ऊतक-स्तर के व्यवहार का गुणात्मक परिवर्तन है।
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जीवित जानवरों के ऊतक केवल कोशिकाओं के थैले मात्र नहीं हैं; वे संरचित, यांत्रिक सामग्रियां हैं जो मुड़ती हैं, झुकती हैं और अपना आकार बनाए रखती हैं। यह समझने के लिए कि ये ऊतक कैसे व्यवहार करते हैं, वैज्ञानिक अक्सर कोशिका की सतह, यानी प्रत्येक कोशिका की बाहरी सीमा को देखते हैं। इस सतह को प्रोटीन की एक संकुचनशील परत द्वारा सुदृढ़ किया जाता है, जो एक तंग त्वचा की तरह कार्य करती है, और इसे पड़ोसी कोशिकाओं और आसपास के वातावरण से चिपकाया जाता है। वर्षों तक, इन ऊतकों के आकार बदलने के तरीके का अनुकरण करने के लिए उपयोग किए जाने वाले मॉडलों ने लगभग पूरी तरह से इसी सतह तनाव (surface tension) और आसंजन (adhesion) पर ध्यान केंद्रित किया है। वे कोशिका के भीतर के भाग, यानी साइटोप्लाज्म (cytoplasm), को एक निष्क्रिय भराव के रूप में देखते हैं, और इसके भीतर निलंबित प्रोटीन और संरचनाओं के जटिल मिश्रण की उपेक्षा करते हैं। हालाँकि, यह आंतरिक भाग खाली स्थान नहीं है; यह एक सघन, भीड़भाड़ वाला वातावरण है जो दबने का विरोध करता है। यह प्रश्न कि क्या यह आंतरिक प्रतिरोध पूरे ऊतक के मुड़ने के तरीके को बदल देता है, अब तक काफी हद तक अनछुआ रहा है।
मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट फॉर द फिजिक्स ऑफ कॉम्प्लेक्स सिस्टम्स और ड्रेसडेन में सेंटर फॉर सिस्टम्स बायोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस कमी को पूरा करने का लक्ष्य रखा है। उन्होंने कोशिकाओं की एक एकल परत का एक सरल कंप्यूटर मॉडल बनाया, जो किसी अंग की अस्तर (lining) के समान है, और कोशिका के आंतरिक भाग को दबाने के लिए आवश्यक ऊर्जा में एक विशिष्ट यांत्रिक लागत (mechanical cost) जोड़ी। अपने सिमुलेशन में, उन्होंने कोशिका की आंतरिक सामग्री की कल्पना पॉलिमर के एक संग्रह के रूप में की जो कोशिका के छोटा होने पर अधिक सीमित होना कठिन हो जाता है। कोशिकाओं की इस सिम्युलेटेड परत को किनारों से दबाकर, उन्होंने देखा कि ऊतक ने कैसी प्रतिक्रिया दी। परिणाम आश्चर्यजनक थे। जबकि दबाव के तहत ऊतक हमेशा झुक गया या मुड़ गया, इसकी मुड़ने की शैली आंतरिक सामग्री की कठोरता के आधार पर नाटकीय रूप से बदल गई।
इस आंतरिक प्रतिरोध की अनुपस्थिति में, या जब यह बहुत कमजोर था, तो ऊतक दबाव बढ़ने के साथ धीरे-धीरे और सुचारू रूप से मुड़ा। यह एक निरंतर संक्रमण (continuous transition) है, जहाँ वक्र सपाट से मुड़ा हुआ होने की ओर धीरे-धीरे बढ़ता है। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने पाया कि जब उन्होंने आंतरिक कठोरता को एक विशिष्ट, मध्यवर्ती सीमा तक बढ़ाया, तो व्यवहार पूरी तरह से बदल गया। धीरे-धीरे मुड़ने के बजाय, ऊतक अचानक एक मुड़ी हुई आकृति में 'स्नैप' होकर आ गया (यानी झटके से मुड़ गया)। एक क्षण में वह सपाट था, और अगले ही क्षण, थोड़े से अधिक दबाव के तहत, वह एक महत्वपूर्ण रूप से मुड़ी हुई अवस्था में कूद गया। यह एक विच्छिन्न संक्रमण (discontinuous transition) है, एक सहज वक्र के बजाय एक अचानक उछाल। यहाँ तक कि अप्रत्याशित रूप से, यदि उन्होंने आंतरिक सामग्री को और भी अधिक सख्त बना दिया, तो ऊतक फिर से सुचारू रूप से मुड़ने लगा। अचानक होने वाला यह 'स्नैप' केवल कठोरता की उस मध्यवर्ती सीमा में ही हुआ।
यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों हुआ, शोधकर्ताओं ने एक गणितीय ढांचा विकसित किया जो ऊतक को व्यक्तिगत ब्लॉकों के संग्रह के बजाय एक निरंतर शीट (sheet) के रूप में मानता है। उन्होंने पाया कि यह अचानक उछाल एक विशिष्ट प्रकार की यांत्रिक अस्थिरता (mechanical instability) द्वारा नियंत्रित होता है, जो ठीक वैसा ही है जैसे कोई पुल एक विशिष्ट भार के तहत धीरे-धीरे झुकने के बजाय अचानक ढह जाता है। उनके विश्लेषण ने दिखाया कि कोशिका की सतहों के तनाव और आंतरिक साइटोप्लाज्म के प्रतिरोध के बीच की प्रतिस्पर्धा एक निर्णायक बिंदु (tipping point) बनाती है। जब आंतरिक प्रतिरोध बिल्कुल सही स्तर पर होता है, तो यह सपाट अवस्था को इतनी गहराई से अस्थिर कर देता है कि ऊतक थोड़ी मुड़ी हुई आकृति में स्थिर नहीं हो पाता; उसे स्थिरता पाने के लिए पूरी तरह से मुड़ी हुई अवस्था में कूदना ही पड़ता है।
यह खोज महत्वपूर्ण है क्योंकि यह दिखाती है कि कोशिका के आंतरिक भाग के यांत्रिक गुण पूरे ऊतक के व्यवहार को गुणात्मक रूप से बदल सकते हैं। यह केवल ऊतक को सख्त या नरम बनाने के बारे में नहीं है; यह मौलिक रूप से मुड़ने के प्रकार को बदल सकता है। शोधकर्ताओं ने अधिक जटिल कोशिका आकृतियों का परीक्षण करके पुष्टि की कि यह अचानक 'स्नैप' होना उनके सरलीकृत मॉडल का कोई कृत्रिम प्रभाव (artifact) नहीं है, और यह प्रभाव बना रहा। उन्होंने यह भी नोट किया कि प्रकृति में इस तरह का अचानक उछाल दुर्लभ है, भौतिकी में इसके केवल कुछ ही ज्ञात उदाहरण हैं, जैसे कि एक मोटे इलास्टिक माध्यम के भीतर एक छड़ (rod) का मुड़ना।
यह कार्य सुझाव देता है कि कोशिका के आंतरिक यांत्रिकी उतने ही महत्वपूर्ण हैं जितने कि उनकी सतहें, जो यह निर्धारित करती हैं कि ऊतक कैसे विकसित होते हैं और अपना आकार बनाए रखते हैं। जैविक प्रणालियों में, जहाँ ऊतक अक्सर मस्तिष्क की सिलवटों या आंत जैसी जटिल आकृतियाँ बनाने के लिए मुड़ते हैं, इस तरह के अचानक उछालों को समझना महत्वपूर्ण हो सकता है। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि हालांकि उनका मॉडल एक सरलीकरण है, यह एक मजबूत घटना को प्रकट करता है: कोशिका का भीड़भाड़ वाला आंतरिक भाग एक निष्क्रिय दर्शक नहीं है। यह सक्रिय रूप से ऊतक के यांत्रिक निर्णयों में भाग लेता है, जो एक कोमल मोड़ को अचानक 'स्नैप' में बदलने में सक्षम है। यह अंतर्दृष्टि क्षेत्र को जीवित ऊतकों के अधिक पूर्ण यांत्रिक मॉडलों की ओर ले जाती है, जहाँ कोशिका के अंदर के भाग को उसके बाहर के भाग की तरह ही गंभीरता से लिया जाता है।
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