一項研究發現，擁擠的細胞會透過自身調節減緩生長速度形成同心圓。 Scott Weady團隊的模式有助於管理有害微生物的生長。與許多其他生物一樣，細胞在受到”大雜燴”式的擁擠時也會感到壓力。 然而，與其他生命形式不同的是，細胞在受到鄰居擁擠的物理壓力時，可以透過大幅減緩生長速度來緩解壓力，並在此過程中形成美麗的同心圓圖案。

粒子模擬捕捉細菌細胞生長和分裂的週期。 圖片來源：Weady et. al (2024); Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation

Physical Review Letters發表的一項新研究描述了透過模擬和建模分裂細菌菌落而發現的這項發現。 該研究的第一作者、紐約市Flatiron研究所計算生物學中心研究員 Scott Weady說，這些見解可以為減緩感染或製造過程中有害微生物的生長提供新策略。

韋迪說：「看到細胞在這種機械壓力下能以這種方式緩解生長，我感到非常驚訝。有趣的是，它們形成了這些同心圓，每個圓環都顯示了它們被周圍的細胞扼殺了多少，最終影響了它們能長多大。

韋迪與Flatiron 研究所的研究人員布萊斯-帕爾默（Bryce Palmer）、亞當-拉姆森（Adam Lamson）、雷扎-法哈迪法爾（Reza Farhadifar）、邁克爾-謝利（Michael Shelley）以及普渡大學的泰允-金（Taeyoon Kim）共同撰寫了這篇研究報告。

解釋細胞增殖新發現的資訊圖表。 圖片來源：Lucy Reading-Ikkanda/Simons 基金會

韋迪的研究小組對生物物理建模很感興趣，用他的話來說，就是研究小規模的規則是如何支配大規模的行為。 在這種情況下，他的團隊希望研究細胞增殖，即細胞透過分裂製造更多拷貝的過程。

研究小組從探索性方法著手，研究細菌菌落生長的模擬情形。 一開始，他們研究的是細胞大小調節等更一般的測量方法，但後來開始注意到一種模式。

通常情況下，細胞的增殖過程是指數式的： 一個細胞一分為二，這些後代又一分為二，以此類推，以越來越快的速度不斷增殖。 然而，在他們的模擬中，研究小組注意到細胞並沒有像你想像的那樣分裂–事實上，隨著細胞所處的環境變得越來越擁擠，細胞的增殖速度明顯放緩。

“從一個細胞開始，它幾乎感覺不到壓力。然後它分裂，這些細胞分裂，靠近中心的細胞受到的壓力越來越大，因為有更多的壓力壓在它們身上，這導致它們的生長速度減慢，因此，當向圓的邊緣移動時，就會出現這些非均勻應力敏感性帶，表現為同心圓。

連續體模型的視訊圖解展示了這個過程是如何在運動中進行的。 資料來源：Weady et.細胞建模的新見解

最初的工作是基於粒子模擬，粒子模擬說明了增殖過程是如何在數量相對較少的細胞中進行的。 在此數據的基礎上，研究小組開發了所謂的連續體模型，該模型可以估算增殖過程在數量極大的細胞中是如何進行的。

韋迪說：”在粒子模擬中看到的是離散的東西–在這種情況下跟踪的是隨時間變化的細菌。但連續體模型的操作方式不同，它假定顆粒的數量非常大，因此可以將其表示為連續材料。

令人興奮的是，研究小組發現，他們的連續體模型與他們在粒子模擬中看到的結果非常吻合，這表明他們的預感是正確的： 被逼入絕境的細胞會減緩自身的生長速度，並在此過程中形成一種停滯模式。

細胞增殖是一個非常有價值的研究主題，因為它是一個非常基本的過程，但同時也因為當增殖的細胞是有害的（如細菌感染）時，它們會造成有害影響。

韋迪說：「弄清楚這個過程是如何自然調節以及如何控制的非常重要。我們的模型確定了可以增強細胞對機械應力反應的環境因素，而促進這些因素可以減緩指數增長。我認為這個模型是一個有用的工具，可以幫助人們研究細胞反應方式的擾動，無論是透過壓力、營養獲取或其他方式。它將在更廣泛的範圍內實現這一點”。

這項研究發展的模型也可以作為研究其他細胞行為的基礎。

編譯自/ SciTechDaily