Математическая модель, описывающая, как клетки меняют свою форму во время движения, предполагает, что движение в основном обусловлено сокращением скелетных белков, называемых «миозином». Новая модель, разработанная в Пенсильванском университете, может помочь исследователям лучше понять различные биологические процессы, в которых клеточное движение играет ключевую роль, а также может помочь в разработке искусственных систем, имитирующих биологические процессы.

«Основное внимание в этой работе уделяется разработке минимальных математических моделей, которые достаточно просты, чтобы поддаваться строгому анализу, но при этом охватывать ключевые биологические явления», — сказал Леонид Берлянд, профессор математики в Университете штата Пенсильвания и руководитель этой исследовательской группы. «Суть нашей модели состоит в том, чтобы зафиксировать начало движения клеток, вызванное сокращением миозина, с акцентом на анализ стабильности этого движения, наблюдаемого в экспериментах».

По словам С. Алекса Сафстена, докторанта Пенсильванского университета и автора статьи, некоторые клетки , такие как «кератоциты», которые помогают поддерживать структуру и прозрачность роговицы глаза, естественным образом перемещаются по поверхности. Как правило, эти клетки движутся, сначала выпячивая часть своей клеточной мембраны в направлении движения, прикрепляя этот выступ к поверхности, а затем сокращая белки, которые составляют часть «скелетной» структуры клетки, чтобы продвигать клетку вперед.

Чтобы более подробно изучить, как это работает, исследовательская группа расширила предыдущие модели, которые описывали клеточное движение в одном измерении, чтобы построить двумерную модель. Важно отметить, что модель стабильна — это означает, что небольшие возмущения не нарушают движения клеток в модели, что соответствует реальному экспериментальному опыту. Математическая модель также может различать вклад различных стадий клеточного движения: протрузии, адгезии и сокращения. Таким образом, исследователи смогли показать, что сокращения миозиновых белков достаточно для объяснения клеточного движения.

Одно из возможных применений моделей — «биомиметические» системы — инженерные системы, имитирующие биологические процессы.

«Эволюция оптимизировала биологические процессы на протяжении миллионов лет, — сказал Сафстен. «Если, например, мы хотим разработать наноботов, которые двигаются эффективно, как это делают клетки, нам нужно будет точно понять клеточное движение, чтобы смоделировать нашу искусственную систему так, как мать-природа сформировала клетки».

Результаты команды были недавно опубликованы в журнале Physical Review E.