信号分子液滴渗入二维细胞培养的生物物理模型

使用承载受信号分子刺激的二维细胞群的琼脂平板，在广泛的生物学研究（如基因调控和药物发现）的实验中至关重要。本文提出一种生物物理模型，其包含液滴渗入、分子在琼脂内的扩散、琼脂表面上的细胞生长以及细胞对信号分子的吸收。所提模型描述了信道响应，并为更高效准确地设计实验提供了有价值的见解。由液滴渗入琼脂引起的分子释放速率被表征并建模为扩散模型的源项。此外，考虑了表面的细胞生长，其支配信号分子反应的动态并导致可变边界条件。作为一个案例研究，转基因 $E.\,coli$ 细菌被铺在琼脂表面，并以异丙基-β-D-硫代半乳糖吡喃糖苷（IPTG）作为信号分子。将 IPTG 液滴滴在覆有细菌的琼脂表面。根据该实验估算了作为向琼脂扩散源的 IPTG 分子释放速率参数。随后，使用基于粒子的模拟器获得表面细菌接收到的信号分子的时空分布。结果表明，表面不同位置处与细菌反应或被细菌吸收的分子数量可能差异很大，这凸显了在生物学推断中考虑此种变化的重要性。