Aktivna biološka snov
Oznaka in naziv projekta
Z1-1851 Aktivna biološka snov
Z1-1851 Active biological matter
Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: dr. Matej Krajnc (SICRIS) (Spletna stran)
Vsebinski opis projekta
Snovi, katerih gradniki energijo porabljajo za sistematično gibanje, so aktivne snovi. Takšne snovi imajo prav zaradi omenjene značilnosti gradnikov neobičajne lastnosti kot so npr. kolektivno obnašanje gradnikov na nivoju celotne snovi, ki je tipično povsem različno od obnašanja posameznih gradnikov, če bi ti bili izolirani, neravnovesni prehodi med urejeno in razurejeno fazo in neobičajne materialne lastnosti. Aktivni materiali so tipično biološke narave (npr. jata ptic, kolonije bakterij, tkiva, citoskelet, itd.), se pa v zadnjem času vedno več pozornosti posveča tudi ustvarjanju umetnih aktivnih materialov, ki do velike mere uspešno posnemajo naravne. Kljub kompleksnosti aktivnih snovi-posebno bioloških-je razvoj področja raziskav aktivne mehke snovi v zadnjih dveh desetletjih omogočil, da lahko mnogo pojavov opišemo z uporabo orodij matematike in fizike. To nam omogoča boljše razumevanje in nam daje napovedno moč, kar je še posebno pomembno pri raziskavah tkiv, kjer je interes skupnosti razviti nove in boljše metode za terapijo in zgodnjo diagnozo anomalnih pojavov kot je nastanek rakavih tvorb. V okviru predlaganega projekta bomo z metodami teoretične fizike in računalniškimi simulacijami raziskovali lastnosti aktivnih bioloških materialov, kot je aktivna kompartmentalizacija celičnih jeder v zgodnjem zarodku vinske mušice in eno- ter večslojna biološka tkiva. Posvetili se bomo tudi razvoju preprostih metod strojnega učenja za analizo obnašanja aktivnih agentov-tako izoliranih kot tistih, ki interagirajo v gručah (npr. gruče mravelj, proces dvorjenja pri žuželkah itd.).
Project description
Active matter is composed of active agents that are capable of consuming energy to move and exert forces. Due to this specific property, active materials exhibits a range of interesting behaviors such as collective motion of constituents, which differs from their motion in an isolated configuration, non-equilibrium order-disorder transition, and unusual material properties. Even though most of known active materials are biological by nature (e.g. flock of birds, bacterial colonies, tissues, cytoskeleton etc.), the attention over the development of synthetic active materials that can successfully mimic behaviors of their biological analogs is increasing. Despite the complexity of active materials – especially those of biological nature - a rapid development of the active soft matter research over the past couple of decades enabled us to describe them using tools from mathematics and physics, leading to a better understanding of the emerging phenomena and giving us a certain degree of predictive power. The latter is especially important in studying living tissues where the main motivation of the community is to develop new and more successful methods for therapy and early diagnosis of anomalous phenomena such as cancer. In this project, we will use methods of theoretical physics and computer simulations to study properties of active biological materials such as active compartmentalization of nuclei in the early fruit fly embryo, epithelial monolayers, and bulk tissues. We will also develop simple methods of machine learning to study behavior of active agents – both when they are isolated and interacting in clusters (e.g. ant colonies, mating behaviors in insects etc.).
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani SICRIS.
Faze projekta
1. Faza: Nastanek epitelija v zarodku vinske mušice
Cilj je teoretično pojasniti mehaniko nastanka celic v zarodku vinske mušice (t.i. celularizacija). Pri tem se želimo predvsem osredotočiti na sklopitev med apikalno in bazalno stranjo nastajajočega tkiva in raziskati njen vpliv na oblike apikalnih in bazalnih celičnih ploskev ter s tem na geometrijo celic v treh razsežnostih (3D).
2. Faza: Aktivna mehanika enoslojnih epitelijev
Cilj je teoretično raziskati več vidikov mehanike enoslojnih epitelijskih tkiv, kot modelskega sistema aktivnih bioloških materialov.
3. Faza: Metode strojnega učenja za napovedovanje frekvenc celičnih prerazporeditev v aktivnih bioloških tkivih
Cilj je razviti algoritem, ki bi s pomočjo metod strojnega učenja lahko napovedal lokalne mehanske lastnosti bioloških tkiv in frekvence celičnih prerazporeditev.
Bibliografske reference
FIORE, Vincent F., KRAJNC, Matej, GARCIA QUIROZ, Felipe, LEVORSE, John, PASOLLI, H. Amalia, SHVARTSMAN Stamislav Y., FUCHS Elaine. Mechanics of a multilayer epithelium instruct tumour architecture and function. Nature. 2020, vol. 585, no. 7825, str. 433-439. ISSN 0028-0836. DOI: 10.1038/s41586-020-2695-9. [COBISS-ID 28685315]
ROZMAN, Jan, KRAJNC, Matej, ZIHERL, Primož. Collective cell mechanics of epithelial shells with organoid-like morphologies. Nature Communications. 2020, vol. 11, no. 9, str. 3805. ISSN 2041-1723. DOI: 10.1038/s41467-020-17535-4. [COBISS.SI-ID 24820483]
KRAJNC, Matej. Solid-fluid transition and cell sorting in epithelia with junctional tension fluctuations. Soft matter. 2020, vol. 16, no. 13, str. 3209-3215. ISSN 1744-6848. DOI: 10.1039/c9sm02310k. [COBISS.SI-ID 33290535]