Principles of tissue self-organization : differential contractility and collective aggregation

Abstract

The self-organization of individual cells into functional tissues is a paradigmatic example of emergent order in biology. Understanding the physical principles governing this process is a central challenge in biological physics and developmental biology. This thesis addresses this challenge from the perspective of active matter, investigating two essential and sequential mechanisms in tissue construction: cell segregation and aggregation kinetics. In the first part, we investigate the Differential Surface Contraction Hypothesis (DSCH), which posits that differences in active cell contractility, rather than adhesion, can drive segregation. To test this hypothesis in isolation, we developed a novel computational model of deformable active membranes. Our results demonstrate that differences in contractility are, by themselves, sufficient to drive cell segregation, thereby validating the DSCH as a robust mechanism for tissue patterning. In the second part, we address the issue of anomalous aggregation kinetics observed in cellular systems, which are often much faster than the predictions of classical theories. Using Smoluchowski’s coagulation theory and simulations of self-propelled particles with a self-alignment mechanism, we show that a transition to collective motion (flocking) at the cluster level gives rise to a new regime we term collective ballistic aggregation. This mechanism explains the emergence of accelerated growth exponents and unifies diverse experimental and numerical observations. Taken together, this thesis offers an in depth mechanistic understanding of tissue formation, connecting interactions at the cell level with macroscopic organization. The work provides a unified theoretical framework for interpreting the mechanisms of segregation and the scaling laws of aggregation in active matter systems, both biological and synthetic.

A auto-organização de células individuais em tecidos funcionais é um exemplo paradigmático de emergência de ordem em biologia. Compreender os princípios físicos que governam este processo é um desafio central na física biológica e na biologia do desenvolvimento. Esta tese aborda este desafio sob a ótica da matéria ativa, investigando dois mecanismos essenciais e sequenciais na construção de tecidos: a segregação celular e a cinética de agregação. Na primeira parte, investigamos a Hipótese da Contração Diferencial de Superfície (DSCH), que postula que diferenças na contratilidade cortical ativa, em vez da adesão, podem impulsionar a segregação. Para testar essa hipótese de forma isolada, desenvolvemos um modelo computacional inédito de membranas ativas deformáveis. Nossos resultados demonstram que a contratilidade diferencial é, por si só, suficiente para promover a segregação, validando a DSCH como um mecanismo robusto para a formação de padrões teciduais. A análise cinética revelou que o crescimento dos domínios ocorre por meio da coalescência de agregados. Na segunda parte, abordamos a questão das cinéticas de agregação anômalas observadas em sistemas celulares, que frequentemente ocorrem em velocidades muito superiores às previstas por teorias clássicas. Utilizando a equação de coagulação de Smoluchowski e simulações de partículas autopropelidas com um mecanismo de autoalinhamento, demonstramos que uma transição para o movimento coletivo (flocking) dentro dos agregados dá origem a um novo regime que denominamos agregação balística coletiva. Este mecanismo explica a emergência de expoentes de crescimento anômalos e fornece um arcabouço unificado que reconcilia uma vasta gama de observações experimentais e numéricas. Por fim, esta tese aprofunda a compreensão física da formação de tecidos, conectando as interações em nível celular com a organização macroscópica. O trabalho valida um mecanismo fundamental de segregação e resolve um quebra-cabeça de longa data sobre a velocidade da agregação, oferecendo um framework unificado para interpretar a dinâmica de auto-organização em matéria ativa.