Девлог #62 – Хвиля 42: цитоскелет, клітинна сигналізація & імунна відповідь

Статистика релізу

Нові симуляції

Цитоскелет і рухливість клітин

Повзання клітини — один із найскладніших механічних процесів у біології. Він вимагає скоординованої дії сотень актинових філаментів, десятків молекулярних моторів і сотень адгезійних комплексів — усе працює на масштабах часу від мілісекунд до хвилин. Симуляція зводить це до трьох ключових процесів: виступання (полімеризація актину на передньому краю), адгезії (формування комплексу фокальних контактів біля основи клітини) та ретракції (скорочення міозину II стрес-волокон, що тягнуть задню частину вперед).

Біговиробка актинових філаментів — фундаментальний двигун: на зазубреному (плюс) кінці субодиниці АТФ-актину додаються зі швидкістю, пропорційною локальній концентрації мономера; на загостреному (мінус) кінці АДФ-актин дисоціює. Коли полімеризація на зазубреному кінці зустрічає опір (мембрана клітини), результуюча сила — полімеризаційний тріскач — виштовхує мембрану назовні, генеруючи ламелоподії.

Технічні деталі

• Контур клітини відрендерений як гладкий замкнутий сплайн з невеликим коливанням, керованим швидкістю виступання. Ламелоподії виступають приблизно на 30 px у напрямку градієнта сигналу (налаштовується повзунком).
• 90 сегментів філаментів оновлюються щокадру: кожен має кінчик росту, що полімеризується (tip.len += k_on * ATP * dt) і ретракується (tip.len -= k_off * dt). Філаменти, що досягають нульової довжини, видаляються; нові зароджуються на передньому краю.
• 24 мотори міозину II інтерполюють уздовж стрес-волокон протягом 600-кадрового життєвого циклу, застосовуючи видиму силу ковзання (показану як зсув кольору волокна бурштиновий→оранжевий, коли активність міозину висока).
• Швидкість клітини обчислюється як v = v_виступання − v_ретракції, у мкм/хв (нормалізовані одиниці). Типові клітини, що повзають, рухаються 0.1–1 мкм/хв in vivo.
• Права панель показує графік часового ряду 175×120 для швидкості клітини разом із шістьма статистиками в реальному часі: швидкість виступання, швидкість ретракції, активні філаменти, активність моторів, кількість адгезій та використання АТФ.

Каскад клітинної сигналізації (MAPK/ERK)

Каскади трансдукції сигналу досягають двох вражаючих результатів: екстремального посилення (один рецептор → багато ефекторів) і різкої порогової (перемикачоподібної) відповіді. Каскад MAPK/ERK — найкраще вивчений приклад, що керує проліферацією, диференціацією та виживанням клітини.

Коли EGF зв'язується зі своїм рецептором EGFR, рецептор димеризується й автофосфорилюється на кількох тирозинових залишках. Це рекрутує адаптерні білки Grb2 і SOS, які каталізують обмін ГДФ→ГТФ на малій ГТФазі Ras. Активний Ras-GTP рекрутує Raf до мембрани, де він фосфорилює MEK на двох серинових залишках. Двічі фосфорильований MEK потім фосфорилює ERK на треоніні й тирозині, утворюючи активний ERK**. Комбінація двох необхідних кроків фосфорилювання на MEK→ERK створює коефіцієнт Хілла ~2, надаючи каскаду перемикачоподібну залежність доза-відповідь.

Технічні деталі

• Концентрації відстежуються як нормалізовані частки 0–1. Система диференціальних рівнянь просувається інтегруванням Ейлера з dt = 0.04 на кадр анімації (фактично ~2.4 с/кадр біологічного часу).
• Кінетика Хілла: [ERK*] = [MEK**]² / (Km² + [MEK**]²) з K_m = 0.4 і кооперативним показником n = 2.
• Каркасний білок KSR моделюється як мультиплікативний фактор ефективності: rate × (1 + scaffold × 1.2), що відповідає експериментальним даним, які показують посилення швидкості до 2×.
• Негативний зворотний зв'язок: активний ERK фосфорилює й пригнічує SOS (Ras-GEF), моделюється як ligandFrac × (1 − feedback × fbStrength × 0.6).
• Анімовані сигнальні частинки рухаються вздовж кожної стрілки каскаду з ймовірністю, пропорційною рівню активності вищого вузла. Неактивні (зворотнозв'язкові) частинки рендеряться з прозорістю 40%.
• Графік часового ряду 220×240 px показує Ras-GTP, MEK** та ERK** одночасно, полегшуючи спостереження затримки (фазового зсуву) між вищими та нижчими вузлами.

Імунна відповідь

Симуляція — це агентна модель (ABM), що працює безпосередньо в HTML5 Canvas 2D. Агенти належать до п'яти типів — патоген, нейтрофіл, макрофаг, T-клітина та антитіло — кожен з окремою швидкістю, розміром і ймовірністю знищення. Патоген слідує логістичному росту, обмеженому вірулентністю; імунні клітини рекрутуються у три часові фази, що відповідають біології:

• Негайна (0–80 тиків): сигнали комплементу й тучних клітин рекрутують нейтрофіли.
• Вроджена (80–250 тиків): прибувають макрофаги, фагоцитують патогенів і презентують антигени.
• Набута (>180 тиків): T-клітини клонально розмножуються; секретуються антитіла (похідні B-клітин) — або раніше, якщо хазяїн вакцинований.

Технічні деталі

• До ~400 живих агентів одночасно. Кожен кадр виконує прохід руху O(n), а потім прохід зіткнень O(n²) (при dt = 2 кадри для фізики, 1 кадр для рендерингу) для виявлення знищень.
• Ймовірність знищення за зіткнення: нейтрофіл 3–7%, макрофаг 2.5–6%, T-клітина 4–9%, антитіло 5–11% (масштабується повзунком сили імунітету).
• Розмноження патогена: кожні 40 тиків, якщо нижче ємності середовища 5 + virulence×95, породжується дочірній патоген поруч із батьківським агентом.
• Кожен тип імунної клітини має тривалість життя: нейтрофіли 900 тиків, макрофаги 2000, T-клітини 2800, антитіла 1600 — відображаючи біологічні періоди напіврозпаду.
• Вакцинація прискорює набутий імунітет: 12 T-клітин з'являються при t = 10 тиках (проти t = 180 для невакцинованих), а вироблення антитіл починається при t = 60 (проти 240).
• Права панель: графік історії популяції 185×195 px одночасно показує кількість патогенів, нейтрофілів і T-клітин на спільній автомасштабованій осі y.

Нові категорії

Хвиля 42 представляє платформі дві нові категорії симуляцій: клітинна біологія (цитоскелет, клітинна сигналізація) та імунологія (імунна відповідь). Ці категорії раніше були порожніми прогалинами в охопленні спектра платформи. Клітинна біологія та імунологія разом становлять велику частину сучасних медичних досліджень, а інтерактивні симуляції дають інтуїцію, якої не можуть дати статичні діаграми — бачити, як ламелоподії виштовхуються вперед, або спостерігати, як патогенів поглинають нейтрофіли, робить абстрактні механізми відчутними.

Технічні примітки

Усі три симуляції — чистий HTML5/Canvas 2D, без жодних зовнішніх залежностей. Цитоскелет та імунна відповідь використовують цикли requestAnimationFrame з нативною частотою оновлення дисплея. Диференціальні рівняння клітинної сигналізації інтегруються менш ніж за 0.05 мс на кадр (Ейлер, 6 пов'язаних змінних). Агентна модель імунної відповіді пропускає фізику через кадр для підтримки 60 fps навіть із 400 агентами; виявлення зіткнень O(n²) залишається швидким, оскільки кількість агентів обмежена, а внутрішній цикл рано виходить для мертвих агентів.

Усі шість файлів (три EN + три UK) дотримуються стандартного макета файлу симуляції: темна область полотна + права панель статистики + повзунки керування + кнопки пресетів + факт-чіпи + блок формул + інформаційна панель. Українські переклади повні, включно з усіма підписами інтерфейсу, назвами пресетів, текстом легенди та освітньою інформаційною панеллю.

Теги

Клітинна біологія Цитоскелет Актин Міозин Біговиробка Ламелоподії MAPK ERK Сигнальний каскад Кінетика Хілла Імунологія Нейтрофіл Макрофаг T-клітина Агентна модель Вакцинація Хвиля 42