[論文レビュー] Actin based propulsion: Intriguing interplay between material properties and growth processes

Karin John, Denis Caillerie+4 more|ArXiv.org|Sep 3, 2009

Cellular Mechanics and Interactions参考文献 52被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、アクトシン系駆動におけるアクトシンの重合ダイナミクスと力学的性質を結びつける理論的枠組みを提示しており、ゲルの弾性、ブラシ界面における重合キネティクス、そして粘性散逸の相乗作用によって非対称な力が生じることを示している。主な結果は、物体の運動が活性力に起因するのではなく、摩擦の非対称性とトレッドミルリングに起因することであり、物体の速度は摩擦係数の比によって決定され、低レイノルズ数環境における観察速度がトレッドミルリング速度に近いことを説明している。

ABSTRACT

Eukaryotic cells and intracellular pathogens such as bacteria or viruses utilize the actin polymerization machinery to propel themselves forward. Thereby, the onset of motion and choice of direction may be the result of a spontaneous symmetry-breaking or might be triggered by external signals and preexisting asymmetries, e.g. through a previous septation in bacteria. Although very complex, a key feature of cellular motility is the ability of actin to form dense polymeric networks, whose microstructure is tightly regulated by the cell. These polar actin networks produce the forces necessary for propulsion but may also be at the origin of a spontaneous symmetry-breaking. Understanding the exact role of actin dynamics in cell motility requires multiscale approaches which capture at the same time the polymer network structure and dynamics on the scale of a few nanometers and the macroscopic distribution of elastic stresses on the scale of the whole cell. In this chapter we review a selection of theories on how mechanical material properties and growth processes interact to induce the onset of actin based motion.

研究の動機と目的

• 真核細胞および細胞内病原体におけるアクトシン系駆動系の指向的運動の力学的起源を理解すること。
• 外部力が存在しないにもかかわらず、慣性効果が無視できる状況（Re ≪ 1）で運動がどのように自発的に開始されるかというパラドックスを解明すること。
• アクトシンブラシにおけるミクロ的重合ダイナミクスとアクトシンゲル内のマクロ的応力分布との間のギャップを埋めること。
• 弾性不安定性と反応拡散シグナル伝達を統合的に組み合わせた、細胞移動の包括的モデルを構築すること。

提案手法

• 複雑なアクトシンゲルのマイクロ構造を記述しつつも、応力分布に連続的力学的枠組みを保つ均質化モデルを構築する。
• 曲面から成長するアクトシンゲルの安定性を分析し、モード数（m ≤ 4 と m > 4）に基づいてうねり状不安定性とペルストアティック不安定性を同定する。
• 粘性領域における力のバランスモデルを用い、物体とアクトシンコメットの摩擦係数をそれぞれ ξₒ と ξc として線形抵抗を仮定する。
• 物体の速度を vₒ = vₜ ξc / (ξₒ + ξc) として導出し、運動が摩擦の非対称性に起因することを示す。ここで vₜ はトレッドミルリング速度である。
• EGF08 や GFF08 に示されるように、均質化されたゲル力学とブラシ界面における動的重合の結合を提案し、先端縁のような複雑な幾何形状をモデル化する。
• 反応拡散系としてモデル化されたシグナル伝達カスケードが細胞極性を誘導し、アクトシン活性を調節する役割を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粘性で低レイノルズ数の環境下で外部力が存在しないにもかかわらず、どのように指向的運動がアクトシン重合から生じるのか？
• RQ2 駆動物体とアクトシンコメット間の摩擦の非対称性が、物体の速度に果たす役割は何か？
• RQ3 アクトシンゲル内の弾性不安定性がブラシ界面における重合ダイナミクスとどのように結合し、対称性の破れを引き起こすのか？
• RQ4 反応拡散シグナル伝達系と機械的不安定性は、細胞極性を確立・維持するためにどのように共進化するのか？
• RQ5 ナノスケールの重合キネティクスとマクロスケールの応力場との間のギャップを埋める包括的モデルは、どのように構築できるか？

主な発見

• アクトシン系駆動における運動は、活性力発生に起因するのではなく、粘性散逸と物体とアクトシンコメット間の摩擦の非対称性に起因する。
• 物体の速度は vₒ = vₜ ξc / (ξₒ + ξc) で与えられ、運動は絶対的な力の大きさではなく摩擦係数の比によって決定されることを示している。
• アクトシンコメットの摩擦が非常に高い極限（ξc ≫ ξo）では、物体の速度はトレッドミルリング速度 vₜ に近づき、実験的観察と整合的である。
• 小さなモード数（m ≤ 4）では、内部および外部界面で同位相の摂動を示すうねり状不安定性が観察される。一方、高次のモードでは、逆位相のモードを示すペルストアティック不安定性が出現する。
• 理論的モデルは、均質化されたゲル力学と動的ブラシキネティクスを結合することで、現実的な幾何形状におけるアクトシンゲルの成長と変形の複雑性を捉える必要がある。
• 反応拡散シグナル伝達と機械的不安定性の統合は未解決の課題のままであるが、両者とも強固な細胞極性と移動を実現するために不可欠である。