암 세포를 논리 게이트로 사용하여 암세포를 움직이게 만드는 요소 결정
날짜:
2023년 1월 19일
원천:
퍼듀 대학교
요약:
연구원들은 셀룰러 신호 처리 시스템을 리버스 엔지니어링하여 논리 게이트(간단한 컴퓨터)처럼 사용하여 특정 세포가 이동하는 원인을 더 잘 이해했습니다.
암세포는 여러 가지 이유로 몸을 통해 이동합니다. 일부는 단순히 유체의 흐름을 따르고 있는 반면 다른 일부는 특정 화학적 흔적을 능동적으로 따르고 있습니다. 그렇다면 어떤 세포가 움직이는지, 왜 움직이는지 어떻게 알 수 있을까요? Purdue University 연구원들은 세포 신호 처리 시스템을 리버스 엔지니어링하여 논리 게이트(간단한 컴퓨터)처럼 사용하여 특정 세포가 이동하는 원인을 더 잘 이해했습니다.
기계공학과 한범수 교수 연구팀은 오랫동안 암세포를 연구해왔다. 그는 생물학적 환경을 시뮬레이션하기 위해 미세 유체 구조를 구축합니다. 그는 이러한 구조를 사용하여 췌장암 세포의 성장을 역전시키는 "타임머신"을 만들기까지 했습니다.
한 교수팀의 문혜란 박사 후 연구원은 "우리는 실험에서 이러한 암세포가 어떻게 이동하는지 관찰하고 연구해 왔다. 이는 암 전이의 중요한 측면이기 때문"이라고 말했다. "그러나 이것은 다릅니다. 우리는 이러한 행동의 기본 메커니즘을 다루려고 노력하고 있습니다. 그리고 세포는 매우 복잡한 분자 시스템이기 때문에 매우 도전적이며 세포를 움직이게 하는 여러 단서에 노출됩니다."
이러한 단서 중 하나는 많은 세포가 본질적으로 끌리는 화학적 흔적을 포함합니다(향기 흔적을 따르는 개미와 매우 유사함). 다른 하나는 유체 흐름입니다. 유체가 특정 방향으로 세포 주위를 흐르면 많은 세포가 그냥 따라갈 것입니다. 따라서 세포가 움직이고 있다면 화학 물질, 유체 운동 또는 둘 다에 의해 동기가 부여되는지 어떻게 알 수 있습니까?
팀은 이러한 신호를 분석하고 세포가 다른 환경에서 어떻게 움직일지 예측하기 위해 삼항 논리 게이트 모델을 채택했습니다. 그들의 연구는 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)의 저널인 Lab on a Chip 에 게재되었습니다.
그들의 실험은 세포를 위한 중앙 챔버와 두 개의 측면 플랫폼이 있는 미세유체 플랫폼에서 이루어졌습니다. 이 장치를 사용하여 유체 흐름을 한 방향 또는 반대 방향으로 복제하거나 흐름이 전혀 없는 것을 복제할 수 있습니다. 그들은 또한 세포 이동을 유발하는 것으로 알려진 화학 물질을 도입할 수 있습니다. 다시, 그들은 한 방향으로, 반대 방향으로, 또는 전혀 화학주성이 없는 선택권을 가졌습니다. 이 두 단서가 곱해질까요, 아니면 서로를 상쇄할까요?
"각각 2개의 단서와 3개의 선택으로 삼항 논리 게이트 모델을 구축하기에 충분한 관찰 가능한 데이터가 있었습니다."라고 Moon은 말했습니다.
논리 게이트는 트랜지스터가 1 또는 0 입력을 받고 1 또는 0 출력을 반환하는 컴퓨팅의 구성입니다. 이진 논리 게이트는 두 개의 1과 0의 조합을 취하고 어떤 종류의 게이트인지에 따라 다른 결과를 출력합니다. 삼항 논리 게이트는 1, 0 및 -1의 세 가지 가능한 입력 및 출력을 제외하고는 동일한 작업을 수행합니다.
달은 두 가지 다른 자극 아래에서 세포가 움직이는 방향에 값을 할당했습니다. 문 교수는 “세포가 흐름 방향으로 움직였다면 1이다. "방향성이 없으면 0입니다. 흐름과 반대 방향으로 이동하면 -1입니다."
세포가 화학 물질이나 유체 흐름을 개별적으로 만났을 때 양의 방향("1")으로 이동했습니다. 둘 다 같은 방향에 있을 때 효과는 부가적이었습니다(여전히 "1"). 그러나 두 가지가 반대 방향으로 흐를 때 세포는 유체 흐름이 아닌 화학 물질 방향("-1")으로 이동했습니다.
이러한 관찰을 기반으로 Moon은 결과를 단순화하기 위해 3x3 그리드를 추정했습니다. 이 암 세포의 신호는 이제 전기 엔지니어가 회로를 도식화하는 것처럼 도식화될 수 있습니다.
물론 현실 세계는 결코 그렇게 단순하지 않습니다. 문 교수는 “실제로 화학적 자극은 온오프 스위치가 아니라 기울기(gradient)”라고 말했다. "세포는 흐름의 특정 임계값이 도입된 후에만 움직일 것입니다. 너무 많이 도입하면 세포가 단락되어 전혀 움직이지 않습니다. 우리가 움직임을 예측할 수 있는 정확도는 비선형적입니다. 관계."
Moon은 또한 이 특정 실험이 매우 간단하다고 강조했습니다. 단일 차원에서 완전히 반대 방향으로 두 개의 자극을 제공하는 것입니다. 다음 단계는 2차원 평면에서 유사한 실험을 구축하는 것입니다. 그리고 또 다른 3차원 볼륨. 그리고 그것은 단지 시작을 위한 것입니다; 여러 자극을 추가하고 시간을 4차원으로 고려하면 계산이 엄청나게 복잡해집니다. "이제 생물학자들이 슈퍼컴퓨터를 사용해야 하는 이유를 이해하셨을 것입니다!" 문이 말했다.
이 연구는 Purdue Institute for Cancer Research와 공동으로 진행되었습니다. 웰던 의생명 공학 학교; 퍼듀 물리학 및 천문학과; 피츠버그 대학교 물리 및 천문학과의 Andrew Mugler와 Soutick Saha.
문 교수는 "이는 미세유체 장치가 암 연구에 어떻게 사용될 수 있는지를 보여주는 완벽한 예"라고 말했다. "생물학적 환경에서 이 실험을 수행하는 것은 매우 어려울 것입니다. 그러나 이러한 장치를 사용하면 개별 세포로 바로 이동하여 통제된 환경에서 그들의 행동을 연구할 수 있습니다."
문 교수는 “이 모델은 물리적 암세포보다 훨씬 더 많은 것에 적용될 수 있다”고 말했다. "모든 세포는 서로 다른 단서의 영향을 받을 수 있으며, 이는 연구자가 이러한 영향을 연구하고 그 원인을 결정할 수 있는 프레임워크를 제공합니다. 유전 공학자들은 또한 논리 게이트 모델을 수용하여 유전자를 특정 정보를 제공할 때 다른 결과를 제공하는 프로세서로 취급했습니다. 지침. 이 개념으로 갈 수 있는 많은 가지가 있습니다."
출처 : https://www.sciencedaily.com/