生物物理学者が生体組織における強力な対称性を発見

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

ルカ・ジョミは、若い大学院生だった頃、インクジェットプリンターから滴が流れ出る様子を捉えた2本のビデオを見た時のことを今でも覚えている。2本のビデオはほぼ同じ内容だったが、片方はビデオではなく、シミュレーションだった。

「本当に驚きました」とライデン大学の生物物理学者、ジョミ氏は語った。「インク滴のあらゆる挙動を予測できたのです。」

このシミュレーションは、気体と液体の挙動を記述する流体力学の数学的法則に基づいていました。あのインク滴に感嘆してから何年も経った今でも、ジョミはインク滴よりも少し複雑なシステムで、どうすれば同じレベルの精度を実現できるのか、いまだに考え続けています。

「私の夢は、この大きな予測力を生物物理学に役立てることです」と彼は語った。

ジョミ氏と彼の同僚たちは、その目標に向けて重要な一歩を踏み出した。Nature Physicsに掲載された研究で、彼らは皮膚を構成し、内臓を覆っている上皮組織のシートが液晶のように振る舞うと結論付けている。液晶とは、固体のように整列しながらも液体のように流動する物質である。この関連性を明らかにするため、研究チームは上皮組織に2つの異なる対称性が共存することを実証した。液晶が物理的な力にどのように反応するかを決定するこれらの異なる対称性は、単に異なるスケールで現れるだけである。

チームの知見は、流体力学シミュレーションの精度を生体組織に適用することを容易にする可能性がある。もしそうなれば、ジョミ氏は創傷治癒から癌の転移に至るまでの様々な過程において、人体組織がどのように動き、変形するかを予測できるようになると期待している。

「素晴らしい論文です」と、カリフォルニア大学マーセド校の物理学者リンダ・ハースト氏は述べた。ハースト氏はこの研究には関わっていない。「細胞シートの対称性を、これまで以上に詳細に記述しています。」

流れと対称性

液晶は液体のように流動しますが、ある程度の結晶秩序、つまり木目のような固有の対称性や方向性を持っています。木の板が木目に沿って最も強くなるように、液晶の刺激に対する反応は、その対称性と配向に依存します。この方向性は異方性と呼ばれ、液晶の配向によって光の屈折が異なる現代の液晶ディスプレイを支える光学的な魔法なのです。

「矛盾がありました。実験ではネマティック相と示されますが、数値実験や一般的なモデルではヘキサティック相と示されます」と、イスタンブールのコチ大学の計算物理学者、リヴィオ・カレンツァ氏は述べた。「この2つはどのように相互に作用するのでしょうか？」

ジョミ氏のグループの元研究者であるカレンザ氏による予備的なシミュレーションでは、組織において六回対称性と二回対称性の両方が同時に存在すれば、この不一致は解決できる可能性が示唆された。その考えは、ネマティック対称性を持つ組織を拡大すると、より小規模な六回対称性が見つかるというものだ。

「しかし、理論を理論で検証することはできません」とジョミ氏は言った。「だから実験をしたのです。」

そのために、ジョミ氏は当時ライデン大学の博士課程の学生だったジュリア・エッカート氏を採用し、生きた組織培養からデータを収集した。

「彼らを顕微鏡の前に引き寄せ、文献で見られる細胞だけでなく、本物の細胞を見せました」と、現在クイーンズランド大学で生物物理学者を務めるエッカート氏は語る。「『実際に細胞を見たことがありますか？』と尋ねると、『いいえ』という返事でした。『いいえ？ よし、行こう！』」

新たな流動的な秩序

エッカートはまず、研究室で上皮組織の薄い層を培養した。そして、顕微鏡画像で個々の細胞の境界を注意深く描き出した。これで、ジョミと彼のチームは研究に取り掛かることができた。彼らは、組織の対称性が、小さなスケール（少数の細胞とその近傍のみを考慮した場合）と、より広いスケール（拡大したスケール）で異なるかどうかを調べたかったのだ。

しかし、エッカートの細胞シートの入れ子になった対称性を解明するために、研究チームは、乱雑な生物学的データの中でネマティック秩序とヘキサティック秩序を区別する信頼できる方法を必要としていた。

ライデン大学の生物物理学者たちは、細胞の形状と方向に関する情報を捉えるために、形状テンソルと呼ばれる数学的オブジェクトを考案しました。エッカートはこれを用いて、まず個々の細胞を結晶の基本単位として扱い、次に細胞群について同様の処理を行い、様々なスケールにおける組織の対称性を計測しました。

小さなスケールでは、組織は6回回転対称性を示し、押しつぶされた六角形を敷き詰めたような外観を示した。しかし、約10個以上の細胞群を調べたところ、2回回転対称性が出現した。実験結果は、カレンザのシミュレーションと見事に一致した。

「実験データと数値シミュレーションがこれほどよく一致していたのは本当に驚きでした」とエッカート氏は語った。実際、あまりにもよく一致していたため、カレンザ氏の最初の反応は「これは間違っているに違いない」だった。チームは冗談めかして、査読者に不正行為をしたと思われるのではないかと心配した。「本当に、それほど美しかったんです」とカレンザ氏は語った。

この観察結果は「組織に存在する秩序の種類に関する長年の疑問」に答えるものだと、プリンストン大学の物理学者ジョシュア・シェイヴィッツ氏は述べた。同氏は論文を査読した（そして論文が不正行為をしたとは考えていない）。データが一見矛盾する真実――今回の場合は入れ子対称性――を示唆する時、科学はしばしば「曖昧になる」と彼は述べた。「そして誰かが、まあ、それらはそれほど明確に区別できるものではない、と指摘したり示したりする。どちらも正しいのだ」

形、力、機能

液晶の対称性を正確に定義することは、単なる数学的な演習ではありません。対称性によって、結晶の応力テンソル（応力下での物質の変形の様子を表す行列）の見た目が異なります。このテンソルは、ジョミ氏が物理的な力と生物学的機能を結び付けるために用いた流体力学方程式への数学的なリンクです。

液晶の物理法則を組織に適用することは、生物学の複雑で混沌とした世界を理解するための新しい方法だとハースト氏は語った。

ヘキサティック秩序からネマティック秩序への移行がもたらす正確な意味合いはまだ明らかではないが、研究チームは細胞がその遷移をある程度制御している可能性があると考えている。ネマティック秩序の出現が細胞接着と何らかの関係があるという証拠さえあると研究チームは述べている。組織がこれら二つの絡み合った対称性をどのように、そしてなぜ示すのかを解明することは、今後の課題である。ただし、ジョミ氏は既に、この研究結果を用いて、がん細胞が転移する際に体内をどのように移動するかを解明しようと取り組んでいる。また、シェイヴィッツ氏は、組織のマルチスケール液晶性は、胚が自ら生物へと成長するプロセスである胚発生に関連している可能性があると指摘した。

ジョミ氏によると、組織生物物理学における中心的な考え方は、構造が力を生み、力が機能を生むというものだ。言い換えれば、マルチスケールの対称性を制御することは、組織が細胞の総和以上のものを形成する一因となる可能性がある。

ジョミ氏は「形、力、機能の三角形がある」と説明する。「細胞はその形状を利用して力を調整し、それが機械機能を動かす原動力となるのです。」

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。