Feedback mechanisms such as the ‘demon’ in Maxwell’s well-known thought experiment can, in principle, enable the transformation of information into energy, without violating the second law of thermodynamics. Such information-to-energy conversion by feedback control has now been demonstrated experimentally. In 1929, Leó Szilárd invented a feedback protocol1 in which a hypothetical intelligence—dubbed Maxwell’s demon—pumps heat from an isothermal environment and transforms it into work. After a long-lasting and intense controversy it was finally clarified that the demon’s role does not contradict the second law of thermodynamics, implying that we can, in principle, convert information to free energy2,3,4,5,6. An experimental demonstration of this information-to-energy conversion, however, has been elusive. Here we demonstrate that a non-equilibrium feedback manipulation of a Brownian particle on the basis of information about its location achieves a Szilárd-type information-to-energy conversion. Using real-time feedback control, the particle is made to climb up a spiral-staircase-like potential exerted by an electric field and gains free energy larger than the amount of work done on it. This enables us to verify the generalized Jarzynski equality7, and suggests a new fundamental principle of an ‘information-to-heat engine’ that converts information into energy by feedback control.

Zinc metal leaves are grown two-dimensionally by electrodeposition. The structures clearly remind us of the random patterns simulated by computer according to the Witten-Sander diffusion-limited-aggregation model. The scale invariance is tested by computing the density-density correlation function for the digitized patterns of the photographs. The Hausdorff dimension averaged over many examples is $D=1.66\ifmmode\pm\else\textpm\fi{}0.03$, which is in excellent agreement with that of the two-dimensional diffusion-limited-aggregation model ($D\ensuremath{\cong}\frac{5}{3}$).

As the causative agents of a new type of shellfish poisoning, named diarrhetic shellfish poisoning, okadaic acid, 35(S)-methylokadaic acid, 7-O-acyl derivatives of 35(S)-methylokadaic acid, two novel polyether lactones named pectenotoxin-1 and -2 have been isolated and had their structures determined. Three pectenotoxin analogues were also present. In addition to the previously identified Dinophysis fortii, D. acuminata was newly suggested as a source of toxins.

Abstract Many internal organs in the body harbor a fluid-filled lumen. The mechanisms of lumens initiation and fusion have been reported as dependent on organ-type during organogenesis. In contrast, the physics of lumen suggests that force balance between luminal pressure and cell mechanics could lead to conserved rules which may unify their self-organisation. However, this hypothesis lacks experimental evidence. Here we show that lumens share similar dynamics for three different systems (MDCK cysts, pancreatic spheres, and epiblast cysts) by using quantitative cell biology, microfabrication and theory. We report that initial cell number determines the maximum number of lumens but does not impact the steady state which is a final single lumen. In addition, lumens numbers exhibit two phases over time, a nucleation phase followed by a fusion phase. In the nucleation phase, lumens form between two cells in pancreatic and MDCK cysts whereas they form at the rosette stage between ten cells in epiblasts. In the second phase, lumens fuse by an increase in lumen volume for pancreatic spheres and MDCK cysts, whereas cell convergent directional motion leads to lumens fusion in epiblasts. We support these results by reproducing numerically lumens dynamics using a phase field model with simple rules for cell proliferation, cell adhesion and lumen growth. We finally use MDCK cysts to manipulate cell adhesion and lumen volume and we successfully reproduce the fusion dynamics of pancreatic spheres and epiblasts. Our results reveal self-organisation rules of lumens across systems with relevance for morphogenesis during development and for the design of synthetic organs.

Organoids are ideal systems to predict the phenotypes of organs. However, there is currently a lack of understanding regarding the generalized rules that enable use of simple cellular principles to make morphological predictions of entire organoids. Therefore, we employed a phase field model with the following basic components: the minimum conditions for the timing and volume of cell division, lumen nucleation rules, and lumenal pressure. Through our model, we could compute and generate a myriad of organoid phenotypes observed till date. We propose morphological indices necessary to characterize the shapes and construct phase diagrams and show their dependencies on proliferation time and lumen pressure. Additionally, we introduced the lumen-index parameter, which helped in examining the criteria to maintain organoids as spherical structures comprising a single layer of cells and enclosing an intact lumen. Finally, we predict a star-like organoid phenotype that did not undergo differentiation, suggesting that the volume constraint during cell division may determine the final phenotype. In summary, our approach provides researchers with guidelines to test the mechanisms of self-organization and predict the shape of organoid.

Abstract Organoids are ideal systems to predict the phenotypes of organs. However, there is currently a lack of understanding regarding the generalized rules that enable use of simple cellular principles to make morphological predictions of entire organoids. Therefore, we employed a phase field model with the following basic components: the minimum conditions for the timing and volume of cell division, lumen nucleation rules, and lumenal pressure. Through our model, we could compute and generate a myriad of organoid phenotypes observed till date. We propose morphological indices necessary to characterize the shapes and construct phase diagrams and show their dependencies on proliferation time and lumen pressure. Additionally, we introduced the lumen-index parameter, which helped in examining the criteria to maintain organoids as spherical structures comprising a single layer of cells and enclosing an intact lumen. Finally, we predict a star-like organoid phenotype that did not undergo differentiation, suggesting that the volume constraint during cell division may determine the final phenotype. In summary, our approach provides researchers with guidelines to test the mechanisms of self-organization and predict the shape of organoid. Author summary In nature, a wide variety of organ morphologies are observed. Owing to the complexity of the process underlying the acquisition of organs’ morphology, it is challenging to investigate the mechanisms that lead to such variations. A promising approach to study these variations is the use of “computational organoid” study, which is the computational-based study of self-organizing shapes in multicellular assemblies and fluid-filled cavities called lumens that develop from a few proliferating cells. This study explores general mechanisms that dictate how various mechanical factors affect the growing self-organized multicellular assembly. We relied on computer simulations of the mathematical model called multicellular phase-field model with lumens and explored the mechanical factor effects, such as the lumen pressure while considering the time and volume conditions required for cell division. These simulations generated and categorized a wide range of organoid phenotypes based on the varying lumen pressure and cell division conditions. These phenotypes were characterized into seven distinct classes, based on the morphological index sets, including a cellular monolayer/multilayer surrounding single or multiple lumens and branch formation. These phenotypes were obtained without the assumption of differentiation. Our study elucidates the mechanisms underlying the organoid and organ formation with different shapes, thereby highlighting the significance of mechanical forces in shaping these complex biological structures.

Summary Formation of fluid filled lumen by epithelial tissues is a fundamental process for organ development. How epithelial cells regulate the hydraulic and cortical forces to control lumen morphology is not completely understood. Here, we quantified the mechanical role of tight junctions in lumen formation using genetically modified MDCKII cysts. We found that the paracellular ion barrier formed by claudin receptors is not required for hydraulic inflation of lumen. However, depletion of the zonula occludens scaffold resulted in lumen collapse and folding of apical membranes. Combining quantitative measurements and perturbations of hydrostatic lumen pressure and junctional tension with modelling, we were able to predict lumen morphologies from the pressure-tension force balance. We found that in MDCK tissue the tight junction promotes formation of spherical lumen by decreasing cortical tension via inhibition of myosin. In addition, we found that the apical surface area of cells is largely uncoupled from lumen volume changes, suggesting that excess apical area contributes to lumen opening in the low-pressure regime. Overall, our findings provide a mechanical understanding of how epithelial cells use tight junctions to modulate tissue and lumen shape.

Abstract Many internal organs in multicellular organisms comprise epithelia which enclose fluid-filled cavities. These are referred to as lumens and their formation is regulated by a wide range of processes, including epithelial polarization, secretion, exocytosis and actomyosin contractility [1, 2]. While these mechanisms have shed light on lumen growth, what controls lumen morphology remains enigmatic. Here we use pancreas organoids to explore how lumens acquire either a spherical shape or a branched topology [3]. Combining computational simulations based on a phase field model with experimental measurements we reveal that lumen morphology arises from the balance between the cell cycle duration and lumen pressure, with more complex lumen at low pressure and fast proliferation rates. Moreover, the manipulation of proliferation and lumen pressure in silico and in vitro is sufficient to alter and reverse the morphological trajectories of the lumens. Increasing epithelial permeability of spherical lumens lead to lower lumen pressure and converts their morphology to complex lumen shapes, highlighting its crucial role. In summary, the study underscores the importance of balancing cell proliferation, lumen pressure, and epithelial permeability in determining lumen morphology, providing insights relevant to other organs, for tissue engineering and cystic disease understanding and treatment [4].

Sheets of confluent cells are often considered as active nematics, with accumulation at +1/2 topological defects and escape from −1/2 defects being widely recognized. However, collective dynamics surrounding integer-charge defects remain poorly understood, despite its biological importance. By using microfabricated patterns, we induce diverse +1 topological defects (aster, spirals, and target) within monolayers of neural progenitor cells. Remarkably, cells are consistently attracted to the core of +1 defects regardless of their type, challenging existing theories and the conventional extensile/contractile dichotomy. We trace back the origin of this accumulation behavior to previously overlooked nonlinear active forces using a combination of experiments and a continuous theory derived from a cell level model. Our findings demonstrate that +1 topological defects can reveal key features of active nematic systems and offer a new way to characterize and classify cell layers.