VII Съезд биофизиков России
Краснодар, Россия
17-23 апреля 2023 г.
Главная
О Съезде
Организаторы
Программный комитет
Программа Съезда
Место проведения Съезда
Проживание
Оргвзносы
Основные даты
Регистрация
Публикации материалов Съезда
Молодежный конкурс
Контакты
Тезисы
English version
Партнеры Съезда
Правила оформления докладов

Программа Съезда

Секции и тезисы:

Дискуссионный клуб

Нелинейная динамика клеток при онкологических трансформациях и в условиях микрогравитации

О.Б. Наймарк1*

1.Институт механики сплошных сред УрО РАН;

* naimark(at)icmm.ru

Полевая теория дефектов используется для механобиологического исследования клеток в условиях онкологических трансформаций и при действии микрогравитации В соответствие с определением Шредингера ДНК как биологического кристалла, механизмы трансформации в ДНК и клетки ассоциируются с нелинейной динамикой дефектов («открытых состояний»). Статистическая термодинамика «открытых состояний» в ансамбле ДНК позволила установить вид неравновесной свободной энергии в терминах «параметра порядка», определяющего деформацию, индуцированную «открытыми состояниями». Установлен специальный тип критических явлений (структурно-скейлинговые переходы), связывающий нелинейную динамику параметра порядка с условиями «термализации» - «эффективной температурой», отражающей взаимодействие открытых комплексов, и роль последних в различных сценариях экспрессии генов [1-4]. Коллективные моды «открытых состояний» имеют природу автомодельных решений и могут рассматриваться как механизм, связанный с динамикой экспрессии генов, транскрипции и деления клеток [5, 6]. Разнообразие структурно-скейлинговых переходов и типов метастабильности потенциала (неравновесной свободной энергии), обусловленных «открытыми состояниями», позволяют предложить объяснение ландшафтов Вэдингтона при эволюции клеток [7, 8]. Показано, что динамика «открытых состояний» как дефектов может быть ассоциирована с «пластичными» состояними нормальных клеток и «квазихрупкими» состояниями раковых клеток с соответствущей динамикой экспрессии. Установленные закономерности «критичности» в поведении «открытых состояний» использованы для интерпретации оригинальных экспериментальных данных прижизненной динамики клеток, полученных методом лазерной (интерференционной) микроскопии [8]. Анализ флуктуаций «фазовых толщин» позволил установить существование мультифрактальных спектров для нормальных (пластичных) клеток и монофрактальный для «охрупченных» раковых клеток [9]. Анализ влияния внешних сил на динамику клеток позволил предложить объяснение изменения фенотипов в условиях микрогравитации. Результаты анализа прижизненной динамики клеток сопоставлены с данными обработки флуктуаций температурного поля, установившими признаки мультифрактальности для здоровой ткани и монофрактальности для ткани с онкологическими патологиями [10].

Исследования поддержаны государственным контрактом АААА-А19-119013090021-5.



References

1. Naimark O. Defect-induced transitions as mechanisms of plasticity and failure in multifield continua, in: Advances in Multifield Theories for Continua with Substructure, Springer, 2004, pp. 75–114.

2. Naimark O.B. Structural-scaling transitions and localized distortion modes in the DNA double helix. Physical Mesomechanics. 2007. V. 1. № 10. P. 33–45.

3. Nikitiuk A. , Bayandin Yu, Naimark O. Statistical thermodynamics of DNA with open states Physica A, 607, (2022) P.128-156 .

4. Bizzarri M., Naimark O., Nieto-Villa J., Fedeli V., Giuliani A. Complexity in Biological Organization: Deconstruction (and Subsequent Restating) of Key Concepts. Entropy. 2020. V. 22. № 8. P. 885. doi: 10.3390/e22080885

5. Naimark O. Nonlinear dynamics and damage induced properties of soft matter with application in oncology. AIP Conference Proceedings. 2017. V. 1882. № 1. P. 020052.

6. Goldenfeld N., Woese C. Life is physics: evolution as a collective phenomenon far from equilibrium. Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 2011. V. 2. № 1. P. 375–399.

7. Waddington C.H. The strategy of the genes. Routledge, 2014

8. Naimark O. Mesoscopic cell dynamics in different environment and problem of cancer. AIP Conference Proceedings. 2019. V. 2167. № 1. P. 020237

9. Naimark O.B. , et al., DNA Transformation, Cell Epigenetic Landscape and Open Complex Dynamics in Cancer Development, Mathematical Biology and Bioinformatics 2020. V. 15. № 2. P. 87-104. doi: 10.17537/2020.15.

10. Gerasimova E., Audit B., Roux S.G., Khalil A., Gileva O., Argoul F., Naimark O., Arneodo A. Wavelet-based multifractal analysis of dynamic infrared thermograms to assist in early breast cancer diagnosis. Frontiers in Physiology. 2014. V. 5. P. 176. doi: 10.3389/fphys.2014.00176.

Nonlinear dynamics of cells in oncological transformations and microgravity conditions

O.B. Naimark1*

1.Institute of Continuous Media Mechanics UB RAS;

* naimark(at)icmm.ru

Field theory of defects is used to study the mechanobiology of cells in the case of oncological transformations and in microgravity conditions. After Schrödinger's definition of the structure of DNA as a biological crystal, the mechanisms of functioning of DNA, cells can be associated with the nonlinear dynamics of defects (open states). Statistical thermodynamics of the open states in the DNA ensemble allowed the definition of out-of-equilibrium free energy in term of open-states induced strain as the “order parameter”. New type of critical phenomena (structural-scaling transition) was established linking the nonlinear dynamics of this parameter with “thermalization” conditions” (“effective temperature” caused by open complex interaction) and the types of the collective open states modes providing different scenario of gene expressions [1-4]. Collective modes have the nature of self-similar solutions corresponding to DNA breathing, are observed experimentally and can be considered as triggering mechanisms for gene expression, transcription, and cell division [5, 6]. The variety of structural-scaling transitions scenario and metastability types of out-of-equilibrium free energy, induced by open states allowed the explanation of the Waddington landscape for the cell evolution [7]. The role of open states as defects is associated with manifestations of ductility for normal cells and fragility for cancer cells, which determine corresponding phenotypes due to the subjection of cell dynamics to collective open states modes Regularities of "criticality", caused by the collective behavior of defects (open states), are studied using original experimental data on in vivo cell dynamics as fluctuations of "phase thicknesses" obtained by laser (interference) microscopy [8]. Analysis of these data made it possible to establish multifractal dynamics characteristic of “normal” cells ductility and monofractal dynamics for cancer cell reflecting cell fragility [9]. Conclusion is substantiated that monofractal dynamics, caused by development of collective "blow-up modes" in an ensemble of open states, corresponds to modes of spontaneous cell division.The analysis of external field on the cell dynamics allowed the interpretation of the phenotype changes in the microgravity conditions. Analysis of laser microscopy data in vivo cell dynamics are compared with results of a multifractal analysis of temperature fluctuations field by infrared scanning of «normal tissue» and tissue with oncological pathologies [10].

Research was supported by the Covernment contract АААА-А19-119013090021-5.



References

1. Naimark O. Defect-induced transitions as mechanisms of plasticity and failure in multifield continua, in: Advances in Multifield Theories for Continua with Substructure, Springer, 2004, pp. 75–114.

2. Naimark O.B. Structural-scaling transitions and localized distortion modes in the DNA double helix. Physical Mesomechanics. 2007. V. 1. № 10. P. 33–45.

3. Nikitiuk A. , Bayandin Yu, Naimark O. Statistical thermodynamics of DNA with open states Physica A, 607, (2022) P.128-156 .

4. Bizzarri M., Naimark O., Nieto-Villa J., Fedeli V., Giuliani A. Complexity in Biological Organization: Deconstruction (and Subsequent Restating) of Key Concepts. Entropy. 2020. V. 22. № 8. P. 885. doi: 10.3390/e22080885

5. Naimark O. Nonlinear dynamics and damage induced properties of soft matter with application in oncology. AIP Conference Proceedings. 2017. V. 1882. № 1. P. 020052.

6. Goldenfeld N., Woese C. Life is physics: evolution as a collective phenomenon far from equilibrium. Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 2011. V. 2. № 1. P. 375–399.

7. Waddington C.H. The strategy of the genes. Routledge, 2014

8. Naimark O. Mesoscopic cell dynamics in different environment and problem of cancer. AIP Conference Proceedings. 2019. V. 2167. № 1. P. 020237

9. Naimark O.B. , et al., DNA Transformation, Cell Epigenetic Landscape and Open Complex Dynamics in Cancer Development, Mathematical Biology and Bioinformatics 2020. V. 15. № 2. P. 87-104. doi: 10.17537/2020.15.

10. Gerasimova E., Audit B., Roux S.G., Khalil A., Gileva O., Argoul F., Naimark O., Arneodo A. Wavelet-based multifractal analysis of dynamic infrared thermograms to assist in early breast cancer diagnosis. Frontiers in Physiology. 2014. V. 5. P. 176. doi: 10.3389/fphys.2014.00176.



Докладчик: Наймарк О.Б.
405
2023-02-11

Национальный комитет Российских биофизиков © 2022
National committee of Russian Biophysicists