细胞代谢网络的交叉喂养 percolation 相变

细胞间交换网络是细胞群体适应能力的关键要素。虽然扩散式交换传统上难以绘制,但最新进展使我们能够以单细胞分辨率精准探测交换通量。本文引入一种基于砖块的方法来重建交换网络的动态演化,并将其应用于一种实验室哺乳动物共培养系统,其中乳酸交换影响环境酸化。我们观察到,该网络最初表现为密集的交换矩阵,随后逐渐分解为小规模的不相连细胞簇。为解释这一行为,我们发展了一种两参数最大熵多细胞代谢模型,其包含通过全球约束实现的扩散驱动交换,这些约束耦合了细胞行为。该模型预测从密集互联网络向稀疏、以 motif 为主导的状态的转变,其发生在葡萄糖和氧气消耗水平变化时。我们通过数值方法定性化了这种临界态,揭示在临界态转换处聚类尺寸分布呈幂律衰减;同时通过基于 percolation 理论的均场近似计算了临界线。通过将实证数据与理论预测进行比较,我们发现该群体趋向稀疏相的演化方式是靠靠近这两种制度之间的临界态交叉点来实现的。这些发现为细胞群体适应动力学的集体组织提供了新的见解。