生物學可能會讓人聯想到動物、植物，甚至理論上的計算機模型。最後一個聯想可能不會立即浮現在腦海中，但它在生物研究中卻至關重要。複雜的生物現象，甚至是最微小的細節，都可以通過精確的計算來理解。ISTA 愛德華-漢內佐（Edouard Hannezo）教授利用這些計算來理解生物系統中的物理原理。他的團隊最近的工作為了解細胞如何在活體組織內運動和交流提供了新的視角。

絢麗的色彩。圖像顯示了化學信號通路（ERK 通路；右上角）的激活與單層細胞中二維細胞區域（左下角）的模擬合併。圖片來源：© Hannezo 小組/ISTA

丹尼爾-布考克（Daniel Boocock）在攻讀博士學位期間，與來自新加坡國立大學的Hannezo 和長期合作者Tsuyoshi Hirashima 一起，建立了一個詳細的新理論模型。該模型於7月20日發表在《PRX Life》雜誌上，加深了我們對遠距離細胞-細胞通訊的理解。它描述了細胞施加的錯綜複雜的機械力及其生化活動。

生物學的物理學方面。國際科學與技術學院教授愛德華-漢內佐（左）和國際科學與技術學院應屆畢業生丹尼爾-布考克（右）利用理論物理來理解生物的複雜性。圖片來源：(c) ISTA

細胞以波為單位進行交流

“假設你有一個培養皿，上面佈滿了細胞–單層細胞。它們看起來只是停在那裡。但事實上，它們會移動、旋轉，並自發地做出混沌行為，”漢內佐解釋道。

漢內佐解釋說：”就像音樂會上密集的人群一樣，如果一個細胞拉動一邊，另一個細胞就會感應到這一動作，並做出反應，要么朝同一方向拉動，要么朝相反方向拉動。這樣，信息就能以波的形式傳播和傳播–波在顯微鏡下是可見的。”

“細胞不僅能感知機械力，還能感知其化學環境–細胞相互施加的力和生化信號。它們之間的交流是生化活動、物理行為和運動的相互作用；然而，每種交流模式的程度以及這種機械化學相互作用如何在活體組織中發揮作用，直到現在仍令人難以捉摸。”

ISTA 畢業生丹尼爾-布考克（Daniel Boocock）在ISTA 校園。圖片來源：(c) ISTA

預測運動模式

受到可見波模式的啟發，科學家們旨在創建一個理論模型，以驗證他們之前關於細胞運動的理論。丹尼爾-布考克（Daniel Boocock）闡述道：”在我們之前的工作中，我們希望揭示波的生物物理起源，以及它們是否在組織細胞集體遷移中發揮作用。然而，我們還沒有考慮到組織的液固轉換、系統固有的噪聲或二維波的詳細結構。”

他們最新的計算機模型關注細胞運動和組織的材料特性。通過它，博科克和漢內佐發現了細胞是如何進行機械和化學交流的，以及它們是如何運動的。他們能夠複製在培養皿中觀察到的現象，驗證了基於物理定律的細胞通訊理論解釋。

愛德華-漢內佐（Edouard Hannezo）教授在ISTA 校園。他領導著生物系統中的物理原理研究小組。圖片來源：(c) ISTA

測試理論

為了進行實驗證明，布科克和漢內佐與生物物理學家平島剛合作。為了嚴格測試新模型是否適用於真實的生物系統，科學家們使用了二維單層MDCK 細胞–特異性哺乳動物腎臟細胞–這是此類研究的經典體外模型。

漢內佐解釋說：”如果我們抑制了一種能讓細胞感知和產生力的化學信號通路，細胞就會停止運動，通信波也不會傳播。根據我們的理論，我們可以輕鬆改變複雜系統的不同組成部分，並確定組織的動態適應情況。”

細胞組織表現出類似液晶的特性：它像液體一樣流動，但又像晶體一樣有組織。布考克補充道：”特別是，生物組織的液晶樣行為只有在獨立於機械化學波的情況下才被研究過”。未來可能的研究方向之一是擴展到三維組織或具有復雜形狀的單層，就像在生物體內一樣。

研究人員還開始針對傷口癒合應用改進模型。在計算機模擬中，參數改善了信息流，加速了傷口癒合。漢內佐興致勃勃地補充道：”真正有趣的是，我們的模型在生物體內細胞的傷口癒合方面能發揮多大作用。”