细胞培养中进化涌现的代谢相互作用：统计力学视角
生物物理
2025-09-25 v1
摘要
细胞培养表现出由细胞间动态代谢相互作用驱动的丰富而复杂的行为。在本工作中，我们提出了一种模型，通过受统计力学启发的框架来捕捉这些相互作用。通过蒙特卡洛模拟，我们探索了排列在二维晶格上的细胞群体的平衡与动力学性质，其中每个细胞由三种反应的通量表征：葡萄糖消耗（g）、呼吸（r）和废物产生/吸收（w）。系统最小化一个受细胞间竞争性耦合（J_g > 0）和合作性耦合（J_w < 0）影响的能量函数。我们的结果揭示了三个不同的相：以葡萄糖竞争为主的竞争相、以有序废物交换为特征的合作相，以及具有局部尺度合作的无序相。通过引入进化动力学，我们展示了最初不相互作用的细胞如何发展出有效的代谢相互作用，从而形成由交叉喂养维持的异质性培养物。这些发现进一步得到了通过平均场近似推导出的解析解的支持。该模型揭示了环境约束和随机涨落如何塑造群落结构，为研究生物系统中的若干涌现现象提供了一种通用方法。
引用
@article{arxiv.2509.20037,
title = {Evolutionary emergent metabolic interactions in cell cultures: A Statistical Mechanics point of view},
author = {A. R. Batista-Tomás and C. Díaz-Faloh and R. Mulet},
journal= {arXiv preprint arXiv:2509.20037},
year = {2025}
}