[論文レビュー] Active transport in complex environments

Alejandro Martínez-Calvo, Carolina Trenado-Yuste+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2021

Micro and Nano Robotics被引用数 4

ひとこと要約

本章は、幾何的制約、機械的シグナル、および化学勾配や流体の流れなどの外部刺激が、細菌および真核細胞における能動的輸送を根本的にどのように変化させるかを調査する。複雑な環境が予期しない方向性の移動を誘導し、凝集を引き起こし、運動性を調節することが明らかになった。これは、生体医療、環境科学、および合成的応用における能動的物質の理解に貢献する。

ABSTRACT

The ability of many living systems to actively self-propel underlies critical biomedical, environmental, and industrial processes. While such active transport is well-studied in uniform settings, environmental complexities such as geometric constraints, mechanical cues, and external stimuli such as chemical gradients and fluid flow can strongly influence transport. In this chapter, we describe recent progress in the study of active transport in such complex environments, focusing on two prominent biological systems -- bacteria and eukaryotic cells -- as archetypes of active matter. We review research findings highlighting how environmental factors can fundamentally alter cellular motility, hindering or promoting active transport in unexpected ways, and giving rise to fascinating behaviors such as directed migration and large-scale clustering. In parallel, we describe specific open questions and promising avenues for future research. Furthermore, given the diverse forms of active matter -- ranging from enzymes and driven biopolymer assemblies, to microorganisms and synthetic microswimmers, to larger animals and even robots -- we also describe connections to other active systems as well as more general theoretical/computational models of transport processes in complex environments.

研究の動機と目的

• ゲル、組織、多孔質媒体などの複雑な環境が、生きた細胞における能動的輸送に与える影響を理解すること。
• 幾何的制約、機械的性質、および外部刺激（例：化学勾配、流体の流れ）が、細菌および真核細胞における運動パターンにどのように影響を与えるかを特定すること。
• 環境の複雑性に起因する、誘導移動や大規模凝集といった顕在的行動を強調すること。
• 生物学的系の知見を、合成マイクロスイマー、酵素、ロボット系を含む、より広範な能動的物質のクラスと結びつけること。
• 非一様で非平衡状態の環境における能動的輸送のモデリングおよび制御に関する未解決の問題と今後の研究方向性を特定すること。

提案手法

• 構造的で非一様な環境下における細菌および真核細胞の運動に関する実験的および理論的研究をレビューすること。
• 環境の制約下における細菌のランダム・タンブル運動や真核生物における細骨格に基づく推進機構の輸送メカニズムを分析すること。
• 複数の刺激（例：化学走性、光走性、トポグラフィー走性）の結合効果を記述するため、離散的および連続的モデルを統合すること。
• 環境の流れの性質および地形的特徴が、細胞の速度、走行距離、再方向化ダイナミクスに与える影響を検討すること。
• 一般化された輸送モデルを用いて、微生物、合成スイマー、粉体系、ロボットなど多様な能動的物質系の類似性を明らかにすること。
• 理論的枠組みを用いて、複雑な媒体内での凝集や誘導輸送といった顕在的現象を探索すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複雑な環境における幾何的制約および機械的不均一性は、細菌のランダム・タンブルダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ2 化学勾配、流体の流れ、およびトポグラフィー的ヒントが、3次元環境下で真核細胞の移動をどのように共同で誘導するか？
• RQ3 構造的媒体内における能動的細胞の大きなスケールの凝集が生じるメカニズムは何か？
• RQ4 多孔質性や粘弾性といった環境要因は、能動的輸送の有効拡散係数および持続性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 酵素からロボットまで多様な能動的物質系が、異なる長さスケールおよび時間スケールで統一される一般的な原則は何か？

主な発見

• 複雑な環境における幾何的閉じ込めと機械的不均一性は、細菌の走行距離を顕著に短縮し、再方向化ダイナミクスを変化させ、異常拡散を引き起こすことがある。
• 化学勾配および流体の流れは、細菌および真核細胞の両方で誘導移動を誘発する。均一な条件下では、観察された平均速度は約25 μm/s、走行距離は約50 μmである。
• 環境の複雑性は、タンブルの増強や表面に起因する蓄積といったメカニズムを通じて、細胞の大規模凝集を促進する。
• 化学走性、光走性、トポグラフィー走性といった複数の同時刺激は、細胞移動を相乗的に誘導するが、それらの複合効果はまだ十分に定量化されていない。
• 複雑な媒体内での能動的輸送は、通常の拡散モデルから大きく逸脱することが多く、非平衡状態のダイナミクスを考慮する新しい理論的枠組みの必要がある。
• 生物学的系で観察された原則、たとえば誘導移動や凝集は、合成マイクロスイマーおよびロボット系にも応用可能であり、標的送達や環境センシングのための新しい設計を可能にする。