[논문 리뷰] Overcrowding drives the unjamming transition of gap-free monolayers

Tao Su, Ganhui Lan|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 13.

Cellular Mechanics and Interactions참고 문헌 63인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 비어 있는 틈이 없는 단층에서 등방성 압축에 의해 유도되는 과밀도가 일반적인 입자계에서의 밀도 기반 재결합과는 반대로, 단층에서의 해제 전이를 유도함을 보여준다. 이 전이는 세포 간 점착력과 등방성 압축에 의해 지배되며, 자유 에너지 경관 분석을 통해 해제 과정 동안 이중 허용장(barrier) 프로파일로의 전이가 드러나, 매우 탄성 있는 조직의 기계적 완화를 나타낸다.

ABSTRACT

Collective cell motility plays central roles in various biological phenomena such as inflammatory response, wound healing, cancer metastasis and embryogenesis. These are biological demonstrations of the unjamming transition. However, contradictory to the typical density-driven jamming processes in particulate assemblies, cellular systems often get unjammed in highly packed, sometimes overcrowding tissue environments. In this work, we report that overcrowding can unjam gap-free monolayers through increasing isotropic compression. The transition boundary is determined by the isotropic compression and the cell-cell adhesion. We explicitly construct the free energy landscape for the T1 topological transition during monolayer rearrangement, and find that it evolves from single-barrier shape to double-barrier shape upon completion of the unjamming process. Our analyses reveal that the overcrowding and adhesion induced unjamming transition reflects the mechanical yielding of the highly deformable monolayer, which differs from those caused by loosing up a packed particulate assembly.

연구 동기 및 목표

• 밀도가 높고 틈이 없는 상피 단층에서의 해제 전이의 기계적 메커니즘을 이해하기 위해.
• 전통적인 입자계에서의 재결합과는 반대로 과밀도 조직에서의 해제가 어떻게 발생하는지에 대한 역설을 해결하기 위해.
• 등방성 압축과 세포 간 점착력이 해제 전이를 어떻게 이끄는지 역할을 규명하기 위해.
• 단층 재편성 중 T1 기하학적 전이에 대한 자유 에너지 경관을 수립하고 분석하기 위해.
• 기계적 완화가 상처 치유나 암 전이와 같은 생물학적 과정에서 집단적 세포 운동을 어떻게 이끄는지 밝혀내기 위해.

제안 방법

• 등방성 압축 하에서 비어 있는 틈이 없는 고밀도 세포 집합체로 단층을 모델링하기 위해.
• 단층 재편성 중 T1 기하학적 전이를 특성화하기 위해 자유 에너지 경관 분석을 사용하기 위해.
• 등방성 압축과 세포 간 점착력 강도에 기반한 전이 경계를 유도하기 위해.
• 과밀도 정도를 다양하게 변화시킨 조건에서 단층의 기계적 반응을 시뮬레이션하기 위해.
• 해제 과정 동안 자유 에너지 프로파일이 단일 허용장에서 이중 허용장 형태로 변화하는 과정을 추적하기 위해.
• 부드러운 응집물리학의 원리를 생물학적 조직 기계학에 적용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 높은 세포 밀도임에도 불구하고 과밀도가 비어 있는 틈이 없는 단층에서 어떻게 해제를 유도하는가?
• RQ2 등방성 압축이 해제 전이를 어떻게 이끄는가?
• RQ3 세포 간 점착력과 기계적 응력은 함께 어떻게 해제 경계를 결정하는가?
• RQ4 단층이 해제될 때 T1 전이 중 자유 에너지 경관에 어떤 변화가 발생하는가?
• RQ5 왜 탄성 있는 상피 조직에서 해제가 입자 기반의 해제와는 달리 기계적 완화가 지배하는가?

주요 결과

• 과밀도가 등방성 압축을 통해 유도되며, 기존의 밀도 기반 재결합 행동과는 반대로 해제를 유도한다.
• 해제 전이 경계는 등방성 압축과 세포 간 점착력 간의 상호작용에 의해 결정된다.
• T1 전이에 대한 자유 에너지 경관은 해제 시점에 단일 허용장에서 이중 허용장 형태로 변화하며, 기계적 안정성의 변화를 나타낸다.
• 해제 과정은 매우 탄성 있는 단층의 기계적 완화를 반영하며, 경직된 입자 집합체의 해제와는 다름을 보여준다.
• 전이의 주요 원인은 밀도 감소가 아니라 내재된 압축 응력으로, 생물학적 조직에서의 고유한 메커니즘을 강조한다.
• 본 연구는 상처 치유나 암 전이와 같은 과정에서의 집단적 세포 운동을 이해하기 위한 기계적 프레임워크를 제공한다.