Клетки в живой ткани похожи на волокна в куске ткани: они выстраиваются в одном направлении. Если на их пути встречаются препятствия, например два столбика, клетки вынуждены их обходить. В местах, где направление резко меняется, возникают особые точки, которые учёные называют топологическими дефектами. Это как завихрения в потоке воды, когда она огибает камни.

Исследователи вырастили слой мышечных клеток на поверхности с круглой ямкой и двумя столбиками. Диаметр столбиков меняли от 0,1 до 0,4 мм. Оказалось, что при диаметре 0,3 и 0,4 мм в слое всегда образуются ровно два дефекта. Каждый дефект имеет заряд -1/2, что означает, что ориентация клеток вокруг него закручивается на пол-оборота. Два таких дефекта вместе дают суммарный заряд -1, что соответствует математическому правилу для области с двумя отверстиями.

Учёные заметили, что положение дефектов зависит от размера столбиков. При больших столбиках (0,4 мм) дефекты находятся почти на прямой, соединяющей центры отверстий. При меньших (0,3 мм) они смещаются к центру и отклоняются. Чтобы понять, почему так происходит, построили модель, в которой клетки ведут себя как жидкий кристалл. Расчёты показали, что при маленьких столбиках выгодно горизонтальное расположение дефектов, при средних — наклонное, а при больших — вертикальное. Предсказания совпали с экспериментами с точностью до 60 мкм, что меньше размера одной клетки.

Это открытие помогает понять, как ткани ведут себя вокруг сосудов, протоков и других полостей. Зная размер препятствий, можно предсказать, где возникнут дефекты, а значит, и как ткань будет сокращаться и двигаться.