يُفسَّر الانقسام غير المتماثل للخلية عادةً باستقطاب مسبق تحدده إشارات جزيئية، مثل بروتينات PAR. ومع ذلك، تنقسم الخلايا الجنينية داخل غلاف صلب وبين خلايا مجاورة، ويتناقص حجمها باستمرار. ظل تأثير هذه العوامل الهندسية على عدم التماثل في ظل النماذج الكيميائية الحيوية لفترة طويلة. يقف هذا العمل إلى جانب أبحاث الميكانيكا الخلوية والتنظيم الذاتي، التي تدرس كيف تملي الشكل والبيئة سلوك الخلية دون تعليمات خارجية.
تمت نمذجة القشرة الخلوية كسطح لزج مغلق داخل غلاف إهليلجي. أُدرجت في المعادلات إجهادات نشطة تعتمد خطيًا على الانحناء، وهو ما يُعد مقبولًا بسبب كسر التماثل بين الأعلى والأسفل في القشرة. حُلَّت ديناميكيات الشكل والتدفق عدديًا مع تغيير حجم الخلية ودرجة الانحصار. للتحقق، استُخدمت بيانات ثلاثية الأبعاد منشورة للتخلق الجنيني للديدان الخيطية C. elegans: ثمانية أجنة غير منضغطة وسبعة عشر جنينًا منضغطًا.
تم اكتشاف ثلاثة أنماط للانقسام: متماثل، وغير متماثل، وتوقف الانقسام. يتحكم في الانتقال بينها تشعب من نوع الشوكة: عند تناقص حجم الخلية أو زيادة الانحصار، يرتفع عتبة عدم الاستقرار، وفوق العتبة يزداد عدم التماثل. في التجارب، زاد عدم تماثل الانقسام بشكل ذي دلالة إحصائية مع تناقص حجم الخلية الأم (p < 0.001 للانقسامات المتأخرة في السلالة الجرثومية). أدى الانضغاط الميكانيكي للجنين إلى زيادة عدم التماثل بمتوسط 15% (ميل الانحدار 1.151، R² = 0.917).
يتميز هذا العمل عن الأبحاث المجاورة بأنه يفسر عدم تماثل الانقسام دون استقطاب جزيئي، من خلال ميكانيكا بحتة للسطح النشط. هذا هو أول تحقق كمي لكيفية قيام الحجم والانحصار الخارجي معًا بإحداث عدم استقرار في القشرة. تربط النتيجة الهندسة الخلوية بمصير الخلايا الابنة وتقترح آلية فيزيائية موحدة لسلالات جنينية مختلفة.
يمكن توسيع النموذج ليشمل ديناميكيات بروتينات PAR والتلامسات الصريحة بين الخلايا بدلاً من الغلاف المثالي. الانتقال إلى وصف الحقل الطوري للتخلق متعدد الخلايا سيسمح بالحصول على وقت الانقسام ومحوره وعدم تماثله بشكل متسق ذاتيًا. سيفتح هذا الطريق للتنبؤ بمصير الخلايا في الأنسجة النامية.
النتائج مهمة لبيولوجيا التطور وبيولوجيا الخلية والفيزياء الحيوية. قد تساعد في فهم كيف تؤثر الظروف الميكانيكية في الأورام أو المناطق الجذعية على عدم تماثل الانقسام والتمايز الخلوي.
الخطوة التالية هي إدراج ديناميكيات بروتينات PAR في النموذج واختبار التنبؤات على كائنات أخرى. كما ينبغي دراسة كيف تضبط الاختلافات في التوزيع العرضي للميوسين في القشرة درجة عدم التماثل.
يتناول العمل مباشرة السؤال غير المحلول حول كيفية اختيار الخلايا ذات الأحجام المختلفة والبيئات المختلفة للانقسام المتماثل أو غير المتماثل. يُظهر أن الهندسة يمكن أن تعمل كمنظم مستقل يكمل الإشارات الكيميائية الحيوية.
في C. elegans، تنقسم السلالة الجرثومية بشكل غير متماثل منذ البداية، بينما تنقسم الخلايا الجسدية أولاً بشكل شبه متساوٍ، لكن مع تناقص الحجم تصبح أيضًا غير متماثلة. أمكن إعادة إنتاج هذا بنموذج واحد دون معايرة لكل سلالة.