[论文解读] Defect-mediated morphogenesis

Ludwig A. Hoffmann, Livio Nicola Carenza+2 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2021

Micro and Nano Robotics参考文献 48被引用 4

一句话总结

本文提出，活性极性液晶中的拓扑缺陷通过弹性力聚焦和表面张力的活性流重正化，作为介导不稳定性驱动的形态发生突起形成的组织中心。利用线性稳定性分析和计算流体动力学，研究证明了涡旋缺陷会引致受限细胞层中的屈曲不稳定性，从而导致复杂的形态动力学行为，如振荡、液滴成核和活性湍流。

ABSTRACT

Growing experimental evidence indicates that topological defects could serve as organizing centers in the morphogenesis of tissues. In this article we provide a quantitative explanation for this phenomenon, rooted in the buckling theory of deformable active polar liquid crystals. Using a combination of linear stability analysis and computational fluid dynamics, we demonstrate that confined cell layers are unstable to the formation of protrusions in the presence of disclinations. The instability originates from an interplay between the focusing of the elastic forces, mediated by defects, and the renormalization of the system's surface tension by the active flow. The post-transitional regime is also characterized by several complex morphodynamical processes, such as oscillatory deformations, droplet nucleation and active turbulence. Our findings offer an explanation of recent observations on tissue morphogenesis and shed light on the dynamics of active surfaces in general.

研究动机与目标

• 解释拓扑缺陷如何在发育上皮组织中组织形态发生。
• 识别受限活性细胞层中缺陷驱动不稳定性背后的物理机制。
• 量化弹性力和活性流在塑造组织形变中的作用。
• 表征活性表面后屈曲状态下的形态动力学现象，如振荡和湍流。

提出的方法

• 采用线性稳定性分析研究受限活性极性液晶中不稳定性发生的起始。
• 应用计算流体动力学模拟来建模形态不稳定性在非线性演化过程中的行为。
• 将屈曲理论与活性物质物理相结合，描述拓扑缺陷附近弹性力聚焦的现象。
• 追踪在存在涡旋缺陷时，活性流对表面张力的重正化过程。
• 分析系统从线性不稳定性到复杂后转变动力学的过渡过程。
• 将振荡形变、液滴成核和活性湍流的出现建模为集体现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 拓扑缺陷如何在受限活性细胞层中诱导形态不稳定性？
• RQ2 弹性力聚焦在缺陷介导的组织形变中起什么作用？
• RQ3 活性流如何通过重正化表面张力来促进突起形成？
• RQ4 活性表面后屈曲状态下会涌现出哪些复杂的形态动力学过程？
• RQ5 缺陷介导的不稳定性在多大程度上可以解释组织形态发生中的实验观测？

主要发现

• 活性极性液晶中的拓扑缺陷通过触发局部屈曲不稳定性，作为组织形态发生的组织中心。
• 该不稳定性源于缺陷附近弹性力的聚焦以及活性流对表面张力的重正化。
• 线性稳定性分析证实，受限细胞层在存在涡旋缺陷时会变得不稳定，从而导致突起形成。
• 后转变动力学包括振荡形变、液滴成核和活性湍流，表明存在丰富的形态复杂性。
• 该模型定量解释了近期关于缺陷驱动组织形状变化的实验观测。
• 该框架为生物组织以外的活性表面动力学提供了通用机制，适用于活性物质系统。