Discontinuous buckling from cytoplasmic mechanics in vertex models of epithelia

生きている動物の組織は、単なる細胞の袋ではありません。それらは曲がり、折れ曲がり、その形状を維持する、構造化された機械的な材料なのです。これらの組織がどのように振る舞うかを理解するために、科学者たちはしばしば細胞の表面、すなわち各細胞の外縁に注目します。この表面は、収縮性のタンパク質層によって補強されており、まるでタイトな皮膚のように機能し、隣接する細胞や周囲の環境に接着されています。長年、組織がどのように形状を変化させるかをシミュレートするために用いられてきたモデルは、ほとんどすべてにおいて、この表面張力と粘着性に焦点を当ててきました。それらのモデルは、細胞の内部である細胞質を受動的な充填材として扱い、その中に浮遊するタンパク質や構造物の複雑なスープを無視してきました。しかし、この内部は空虚な空間ではありません。それは押しつぶされることに抵抗する、高密度で混み合った環境なのです。この内部の抵抗が、組織全体の折り畳み方にどのように影響するかという問いは、これまでほとんど探求されてきませんでした。

マックス・プランク複雑系物理学研究所およびドレスデンのシステム生物学センターの研究チームは、この空白を埋めるべく立ち上がりました。彼らは、臓器の裏打ちに似た単層の細胞の簡略化されたコンピュータモデルを構築し、細胞の内部を押しつぶすために必要なエネルギーに対して、特定の機械的なコストを加えました。彼らのシミュレーションでは、細胞の内部物質を、細胞が小さくなるにつれて閉じ込めるのが困難になるポリマーの集合体として想定しました。このシミュレートされた細胞層を側面から圧縮することで、組織がどのように反応するかを観察しました。結果は驚くべきものでした。組織は圧力の下で常に座屈（バックリング）、つまり折れ曲がりましたが、その曲がり方は内部物質の硬さに応じて劇的に変化したのです。

この内部抵抗がない場合、あるいは非常に弱い場合には、組織は圧力が上昇しても滑らかに、かつ緩やかに曲がりました。これは連続的な転移であり、曲線が平坦な状態から折れ曲がった状態へとゆっくりと成長していくものです。しかし、研究者たちは、内部の硬さを特定の中間範囲まで高めると、挙動が完全に変わることを発見しました。組織はゆっくりと曲がる代わりに、突然折れ曲がった形状へと「スナップ」したのです。ある瞬間は平坦であったものが、わずかな圧力の増加によって、著しく折れ曲がった状態へと跳ね上がりました。これは不連続な転移、つまり緩やかな曲線ではなく、突然のジャンプです。さらに予想外なことに、内部の物質をさらに硬くすると、組織は再び滑らかに曲がる状態に戻りました。この突然のスナップ現象は、その中間的な硬さの範囲でのみ発生したのです。

なぜこのようなことが起こるのかを理解するために、研究者たちは、組織を個々のブロックの集まりとしてではなく、連続的なシートとして扱う数学的枠組みを開発しました。彼らは、この突然のジャンプが、特定の荷重の下で橋がゆっくりと曲がるのではなく突然崩落するのと似た、特定の種類の機械的不安定性によって支配されていることを見出しました。彼らの分析によれば、細胞表面の張力と細胞質内部の抵抗との間の競争が、ティッピング・ポイント（転換点）を生み出します。内部抵抗がちょうど適切なレベルにあるとき、それは平坦な状態を徹底的に不安定化させ、組織はわずかに曲がった形状に落ち着くことができず、完全に折れ曲がった状態を見つけなければならないのです。

この発見は、細胞の内部の機械的特性が、組織全体の挙動を質的に変え得ることを示しているため、重要です。それは単に組織を硬くしたり柔らかくしたりするという問題ではなく、どのような種類の折り畳みが起こるかという根本的な性質を変えることができます。研究者たちは、より複雑な細胞形状を用いてテストを行うことで、この突然のスナップが簡略化されたモデルによるアーティファクト（偽の現象）ではないことを確認しましたが、その効果は持続していました。また、彼らは、この突然のジャンプが自然界では稀であり、厚い弾性媒体の中にある棒の座屈など、物理学における他の数少ない例と同様であることを指摘しました。

この研究は、細胞の内部メカニズムが、組織の形成や維持を決定する上で、表面と同じくらい重要であることを示唆しています。脳のひだや腸のように、組織が複雑な形状を作り出すために折り畳まれる生物学的システムにおいて、これらの突然のジャンプを理解することは極めて重要となる可能性があります。研究者たちは、自分たちのモデルは簡略化されたものであるものの、頑健な現象を明らかにしていると強調しています。すなわち、細胞の混み合った内部は受動的な傍観者ではありません。それは組織の機械的な決定に積極的に関与し、穏やかな曲がりを突然のスナップへと変えることができるのです。この洞察は、細胞の内部を、外部と同じように真剣に扱う、より完全な生体組織の機械モデルへとこの分野を前進させるものです。