利用物理原理了解细胞在发育过程中如何进行自我分类

艾琳·麦卡锡(Erin McCarthy)'23，物理学成绩优异，在年轻科学家中是罕见的。作为雪城大学艺术与科学学院物理系的本科研究员，她指导了一项研究，该研究发表在 2024 年 3 月的《物理评论快报》上。它是被引用次数最多的物理学快报期刊，也是科学领域被引用次数排名第八的期刊。

麦卡锡和博士后同事 Raj Kumar Manna 和 Ojan Damavandi 开发了一个模型，该模型识别了计算粒子之间意想不到的集体行为，这对未来的基础医学研究和生物工程具有影响。

“要在《物理评论快报》上发表论文非常困难，”合著者、小威廉·R·凯南 (William R. Kenan, Jr.) 物理学教授、雪城大学 BioInspired 研究所创始所长 M. Lisa Manning 说道。 “你的科学同行一定认为它是非凡的。”

麦卡锡是新泽西人，她说，选择锡拉丘兹是因为它“拥有巨大的活力”。 “教育和研究方面的事情是惊人的。我计划成为一名物理专业的医学预科生。我喜欢物理和生物学，我想参与医疗保健和医学领域。我很幸运，因为我遇到了曼宁博士是一名新生，她向我介绍了计算生物物理学。我在大一的时候就开始从事研究，这是非常不寻常的。”

“艾琳从头开始学习编码，然后进行了数小时的模拟，这需要很大的毅力，”曼宁说。 “这篇论文出现在这样一份享有盛誉的期刊上，这是对她的职业道德和才华的绝佳证明。”

研究小组使用计算物理模型来找出导致粒子自发分类到不同组的潜在机制。

了解粒子在物理模型中的行为可以深入了解活体生物粒子(细胞、蛋白质和酶)在发育过程中如何重新混合。

例如，在胚胎的早期阶段，细胞开始时是异质混合物。细胞必须自我分类到不同的区室中，以形成不同的同质组织。这是组织、器官发育和器官再生过程中发挥作用的主要集体细胞行为之一。

麦卡锡说：“细胞需要能够正确地自我组织，自我隔离以完成自己的工作。” “我们想了解，如果去掉化学并严格观察物理学，这种重组自发发生的机制是什么?”

之前的物理学研究发现，当一些粒子受到较高温度的震动时，粒子就会分离。当一组粒子被小规模地注入能量时，它会变得活跃(或“热”)，而另一组粒子则保持不活跃(或“冷”)状态。这种热量差异导致两个种群之间的重组。这些模型是生物系统的简化版本，使用温度来近似细胞能量和运动。

“热粒子将冷粒子推到一边，这样它们就可以占据更大的空间，”合著者曼纳说。 “但只有当粒子之间存在间隙时才会发生这种情况。”

先前的模型确定了在填充较少的中等密度下的自排序粒子行为。

但雪城大学团队发现了一些令人惊讶的事情。将能量注入高密度粒子群后，热粒子并没有将冷粒子推向周围。热粒子缺乏这样做的空间。

这很重要，因为生物颗粒(细胞中的蛋白质和组织中的细胞)通常生活在狭窄、拥挤的空间中。

“例如，你的皮肤是一个非常致密的环境，”麦卡锡说。 “细胞紧密地堆积在一起，它们之间没有空间。如果我们想将这些物理发现应用于生物学，我们必须考虑高密度才能使我们的模型适用。但是在非常高的密度下，两个细胞之间的活性差异种群数量不会导致它们进行排序。”

生物学中肯定还有其他一些自排序机制在起作用。 “温度或能量的主动注入并不总是能够分离事物，所以你不能在生物学中使用它，”曼宁说。 “你必须寻找其他机制。”

对于曼宁来说，这项研究说明了雪城大学的优势。曼宁说：“由一名本科生带头开展这项研究，这一事实证明了我们雪城大学学生的优秀品质，他们与世界上任何地方的学生一样优秀，也证明了艾琳本人的卓越。”

曼纳(Manna)是麦卡锡项目最后一部分的博士后导师，对于推动该项目的完成至关重要。 “如果没有他，这项研究就不会发生，”曼宁说。 “这表明我们能够为雪城大学招募优秀的博士后，因为我们是一所伟大的研究型大学。”曼娜现为东北大学物理系博士后。

麦卡锡是西北大学医学院生物实验室的研究技术专家，他计划开始申请研究生院。

“在雪城，”麦卡锡说，“我了解到我是多么热爱研究，并希望它成为我未来的一部分。”