Physics of Development Chaitanya Athale Outline Collec7ve - - PowerPoint PPT Presentation

Physics ¡of ¡Development ¡

Chaitanya ¡Athale ¡

Outline ¡

• Collec7ve ¡morphogenesis-­‑ ¡phenomenology ¡

and ¡some ¡theory ¡ ¡

Pa<erns ¡of ¡Bacteria ¡

Budrene ¡& ¡Berg ¡(1995) ¡Dynamic ¡forma7on ¡of ¡symmetrical ¡pa<erns ¡by ¡chemotac7c ¡bacteria ¡ ¡ 1mM ¡ succinate ¡ with ¡E ¡coli ¡ Tsr-­‑ ¡ 2mM ¡ succinate ¡ with ¡E ¡coli ¡ Tsr-­‑ ¡ 3mM ¡ succinate ¡ with ¡E ¡coli ¡ Tsr-­‑ ¡ 3mM ¡ succinate ¡ with ¡E ¡coli ¡ serine ¡blind ¡ mutant ¡ ¡

• Matsuyama ¡& ¡Matsushita ¡(2001) ¡Popula7on ¡

morphogenesis ¡in ¡bacteria. ¡Forma ¡16:307-­‑326 ¡

• Morikawa ¡(2003) ¡Simula7on ¡study ¡of ¡bacterial ¡

colony ¡with ¡mul7plying ¡rods. ¡Forma ¡18:59-­‑65 ¡

Bacteria: ¡Free ¡Swimming ¡

Chemotaxis ¡in ¡liquid ¡media ¡ Tumble: ¡change ¡direc7on, ¡Run: ¡straight ¡swimming ¡

Bacillus ¡sub7lis ¡with ¡flagella ¡

Matsuyama ¡& ¡Matsushita ¡(2001) ¡Forma ¡

Swarming ¡Behaviour ¡

• Pa<erns ¡in ¡liquid ¡(Budrene ¡& ¡Berg ¡1991, ¡1995) ¡
• Surface ¡transloca7on ¡referred ¡to ¡as ¡swarming ¡

Bacteria ¡ac7vely ¡ translocate ¡by ¡flagellar ¡ rota7on ¡(C, ¡D, ¡E) ¡1-­‑3 ¡ days ¡ Spread ¡by ¡volume ¡ increase ¡of ¡colony ¡(A, ¡B) ¡ 2-­‑4 ¡weeks ¡

Dense ¡ Branching ¡ Morpholo gy ¡(DBM) ¡

Taken ¡from ¡ area ¡E ¡ (mo7le) ¡ Reminiscent ¡

• f ¡a ¡class ¡of ¡

theore7cal ¡ models ¡

DBM ¡Structure ¡

Two ¡cell ¡types: ¡(a) ¡Non-­‑mo7le ¡wall ¡and ¡7p ¡cells, ¡ (b) ¡Mo7le ¡swirling ¡cells ¡ ¡inside ¡

Direc7on ¡

• f ¡branch ¡

extension ¡ swirling ¡ inac7ve ¡ Growing ¡branch ¡

Chemicals ¡Inducing ¡Surface ¡ Spreading ¡ ¡

• Surface ¡ac7ve ¡agents ¡

(surfactants) ¡

• Serra7a ¡marcescens ¡ ¡
• S. ¡marcescens ¡

N38 ¡ N38-­‑09 ¡mutant ¡ defec7ve ¡in ¡ surfactant ¡ “serrawe^n ¡W1” ¡ produc7on ¡ ¡

Concentric ¡Pa<erns ¡

Bacillus ¡ sub7lis ¡ (phase ¡C-­‑ ¡ high ¡ nutrient, ¡ medium ¡ s7ffness) ¡ Proteus ¡ mirabilis ¡on ¡ hard ¡agar ¡ medium ¡ Proteus ¡colony ¡dynamics ¡shows ¡ intermi<ent ¡growth ¡

Collec7ve ¡Behaviour ¡

Low ¡agar ¡concentra7on ¡ ‘Rads’ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Hard ¡agar ¡form ¡disk ¡like ¡ structure ¡

Differen7a7on ¡

Free ¡living ¡vs. ¡collec7ve ¡modes ¡of ¡migra7on ¡

Chemotaxis ¡

Minimal ¡medium ¡ agar ¡plate ¡ ¡ Central ¡disk ¡of ¡ filter ¡paper ¡with ¡ L-­‑alanine ¡(2.5 ¡ uM) ¡ ¡ Proteus ¡ inocolated ¡at ¡4 ¡ points ¡

Simula7on ¡of ¡Bacterial ¡Rods ¡

rij=distance ¡between ¡central ¡ segments ¡of ¡two ¡rods ¡I ¡and ¡j ¡ lb=length ¡of ¡rod ¡ a=radius ¡of ¡rod ¡

Poten7al ¡energy ¡ Short ¡range ¡ repulsive ¡ chemotaxis ¡ ¡ Run ¡ Tubmle ¡ Viscosity ¡η0 ¡ ¡ ¡ Φij ¡Nutrient ¡ triangular ¡la^ce ¡ Diffusion ¡and ¡ inges7on ¡

Simulated ¡Pa<erns ¡

Swarming ¡in ¡Eukaryo7c ¡Cells ¡

• Tumour ¡growth ¡as ¡a ¡paradigm ¡

Biological ¡Case ¡Studies ¡

• 1. Tumour ¡growth ¡
• 2. Collec7ve ¡cell ¡behaviour ¡

Tumour ¡Growth ¡

Glioblastoma ¡mul7forme ¡(GBM) ¡

Washington University, School of Medicine

Why ¡Study ¡GBM ¡

Most ¡aggressive ¡and ¡commonest ¡form ¡of ¡human ¡ glioblastoma ¡ Death ¡<1 ¡yr ¡of ¡disease ¡ Mul.forme: ¡necrosis ¡& ¡haemmorhage,pleiomorphic ¡ nuclei ¡& ¡cells, ¡gene7c ¡dele7ons, ¡amplifica7on ¡and ¡ point ¡muta7ons, ¡ ¡microvascular ¡prolifera7on ¡ Subclones ¡within ¡tumour ¡ Tumour ¡of ¡109 ¡cells ¡might ¡harbour ¡106 ¡cells ¡with ¡muta7on ¡ in ¡any ¡one ¡gene ¡ THERAPY: ¡surgery, ¡chemo-­‑ ¡and ¡radio-­‑therapy ¡ SUCCESS: ¡Long ¡term ¡nil ¡

Holland (2000)

• A. Pre surgery
• B. Post-surgery and radiation-therapy
• C. Recurrence in 6 months at 2 sites
• D. Post resection of 2 tumours
• E. Recurrence of tumour at resection margin

Gene-­‑Protein ¡ Network ¡in ¡ GBM ¡

Qiagen

Therapeu7c ¡Approaches ¡

• Surgical ¡resec7on ¡
• Radia7on ¡and ¡chemotherapy ¡
• Mouse ¡and ¡in ¡vitro ¡models ¡
• Modified ¡viruses ¡
• An7bodies ¡against ¡EGFR, ¡PDGF, ¡Angiogenesis ¡(VEGF) ¡
• siRNA ¡
• Synthe7c ¡pep7des ¡

Understanding ¡the ¡basis ¡of ¡tumour ¡growth ¡and ¡expansion ¡

Stages ¡of ¡Tumour ¡Growth ¡

Modelling ¡Tumour ¡Growth ¡

• MRI ¡resolu7on ¡~1mm ¡
• In ¡vitro ¡and ¡mouse ¡models ¡do ¡not ¡behave ¡like ¡

human ¡

• Single ¡cell ¡events ¡lead ¡to ¡malignant ¡spread ¡

GOAL: ¡Understanding ¡of ¡tumourigenesis ¡at ¡ clinically ¡undetectable ¡stage ¡

In ¡Vitro ¡Experiments ¡

Deisboeck et al. (2001)

In ¡Vitro ¡Kine7cs ¡

Emprical ¡Models ¡

Comparison ¡

Experimental volumes (µm3) measured in cell culture tumor spheroids

Discrete ¡Model ¡

Cell ¡as ¡automaton ¡ Leaves ¡non-­‑diffusive ¡a<ractor ¡trail ¡ Path ¡of ¡least ¡resistance ¡carved ¡in ¡ medium ¡ Square ¡la^ce ¡(128x128) ¡ a= ¡La^ce ¡constant ¡= ¡cell ¡diameter ¡ ¡ Chemotaxis: ¡Nutrient ¡ Homotype ¡a<ac7on: ¡Paracrine ¡

Sander & Deisboeck (2002)

Signalling ¡in ¡a ¡Mul7cellular ¡context ¡

Synthesis Autocrine Recycling Degradation Signalling Paracrine Cell 2 Cell 1

Growth ¡Pa<erns ¡

Diffusive ¡growth: ¡Only ¡random ¡walk ¡ ¡ Compact ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

χ = chemotaxis coefficient β= drift velocity η=homotype attraction Dc=cellular diffusion coefficient

Chemotac7c ¡and ¡Homotypic ¡growth ¡ Disperesed ¡ Chain ¡forma7on ¡

Sander ¡& ¡Deisboeck ¡(2002) ¡Growth ¡pa<erns ¡of ¡microscopic ¡brain ¡tumors. ¡Phys. ¡Rev. ¡E ¡66, ¡ 051901 ¡(2002) ¡

Branching ¡Pa<erns ¡

Simula7on ¡results. ¡Very ¡strong ¡ homotype ¡a<rac7on ¡and ¡very ¡strong ¡ chemotaxis ¡result. ¡ ¡ (Scale ¡approx. ¡1 ¡mm). ¡ ¡ ¡

Experimental ¡Branching ¡

& ¡7me ¡

Receptor ¡signalling ¡

Synthesis Autocrine Recycling Degradation Signalling

Mul7cellular ¡context ¡

Synthesis Autocrine Recycling Degradation Signalling Paracrine Cell 2 Cell 1

Mul7cellular ¡mechanics ¡

Free Surface Tumor Spheroid Cells Division Migration

NEXT ¡

• Cell ¡adhesion, ¡compartmentaliza7on ¡and ¡

forming ¡a ¡hole ¡(lumen) ¡

• Epithelial ¡morphogenesis ¡
• Mesenchymal ¡morphogenesis ¡
• Pa<ern ¡forma7on: ¡segmenta7on, ¡axes ¡and ¡

asymmetry ¡

NEXT ¡

• Developmental ¡processes ¡in ¡metazoans ¡
• Cleavage ¡and ¡blastula ¡
• Cell ¡states ¡
• Cell ¡adhesion, ¡compartmentaliza7on ¡and ¡forming ¡

a ¡hole ¡(lumen) ¡

• Epithelial ¡morphogenesis ¡
• Mesenchymal ¡morphogenesis ¡
• Pa<ern ¡forma7on: ¡segmenta7on, ¡axes ¡and ¡

asymmetry ¡

• Organogenesis ¡

Scale ¡of ¡Descrip7on ¡

Molecular ¡dynamics: ¡details ¡at ¡atomic ¡and ¡molecular ¡scales ¡ ¡ Par7al ¡differen7al ¡equa7ons: ¡pressure, ¡temperature, ¡velocity ¡ La^ce ¡Gases ¡(cellular ¡automata) ¡ Spatio-temporal scale

Complex ¡Systems ¡

Macroscopic ¡systems ¡with ¡many ¡interac7ng ¡ microscopic ¡objects ¡ Sophis7cated ¡stochas7c ¡methods ¡used ¡to ¡create ¡ simula7ons ¡of ¡complex ¡systems ¡ Capable ¡of ¡exhibi7ng ¡collec7ve ¡behaviour ¡and ¡ phase ¡transi7ons ¡

Physical ¡Examples ¡

Freezing ¡or ¡boiling ¡of ¡a ¡liquid ¡ ¡ Magnet ¡with ¡ferromagne7c ¡or ¡paramagne7c ¡ transi7ons ¡ ¡ Glass ¡ ¡ Liquid ¡crystals ¡

Biological ¡Examples ¡

Protein ¡folding ¡ Membrane ¡organiza7on ¡ Spontaneous ¡pore ¡forma7on ¡ Targe7ng ¡of ¡transcrip7on ¡factors ¡to ¡genes ¡ Cell ¡division ¡ Cell ¡migra7on ¡ Collec7ve ¡cell ¡migra7on ¡(would ¡healing, ¡ development) ¡ Tissue ¡repair ¡and ¡regenera7on ¡ Tumours ¡ Organ ¡development ¡

nm µm mm ms µs fs s min hr

La^ce ¡Gas ¡Automata ¡

FHP ¡2D ¡ triangular ¡ la^ce ¡(Frisch, ¡ Hasslacher, ¡ Pomeau) ¡ 1986 ¡

x y Rules:

• 1. Collisions

Scatter if 2 particles approach head on Momentum conservation by random choice

• 2. Transport

HPP ¡2D ¡square ¡ la^ce ¡ (Hardy, ¡Pomeau, ¡ dePazzis) ¡

x y

FHP ¡Collision ¡Rules ¡

Applicability ¡of ¡LGA ¡for ¡ Hydrodynamic ¡Modelling ¡

La>ce ¡Gas ¡Automata ¡ Tradi.onal ¡Hydrodynamics ¡ High ¡viscosity ¡inbuilt ¡in ¡rules ¡ Flexible ¡viscosity ¡values ¡ Finite ¡spa7al ¡resolu7on ¡ No ¡predetermined ¡resolu7on ¡ ¡ Imprac7cal ¡for ¡turbulence ¡studies ¡ Turbulence ¡can ¡be ¡handled ¡ Complex ¡boundary ¡condi7ons ¡ ¡ Simple ¡boundary ¡condi7ons ¡ Intui7ve ¡approach ¡ Not ¡intui7ve ¡for ¡complex ¡phenomena ¡ Need ¡sta7s7cal ¡averaging ¡ Gives ¡a ¡sta7s7cal ¡average ¡ Less ¡flexible ¡for ¡parameter ¡range ¡for ¡ generality ¡ Completely ¡flexible ¡and ¡general ¡

Successful applications: flows in porous media, immiscible flows and instabilities, spreading of droplets, wetting phenomena, microemulsion and transport problems Pattern formation, reaction-diffusion, nucleation-aggregation and growth phenomena.

La^ce ¡Gases ¡and ¡Fluids ¡

• Fluid: ¡La^ce ¡gas ¡
• Geometry ¡of ¡la^ce ¡
• Discrete ¡states ¡permi<ed ¡
• Update ¡rule ¡based ¡on ¡neighbours ¡
• Compact ¡state ¡descrip7on ¡and ¡lookup ¡table ¡
• Conserva7on ¡laws ¡