[論文レビュー] Biopolymers: life's mechanical scaffolds

Federica Burla, Yuval Mulla+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2018

Cellular Mechanics and Interactions参考文献 215被引用数 35

ひとこと要約

このレビューでは、細胞や組織における力学的スキャフォールドとしてのバイオポリマー（細胞骨格や細胞外マトリックス）の役割を、構造的階層性、一時的架橋、力学化学的活性によって、耐久性と適応可能性を併せ持つメカニズムとして探求する。ポリマー物理学と実験的知見を統合することで、これらのダイナミックなネットワークが非線形な弾性、自己修復、力の生成を達成するメカニズムを明らかにし、生命に似た合成材料の設計に役立つ原則を提示する。

ABSTRACT

The cells and tissues that make up our body juggle contradictory mechanical demands. It is crucial for their survival to be able to withstand large mechanical loads, but it is equally crucial for them to produce forces and actively change shape during biological processes such as tissue growth and repair. The mechanics of cell and tissues is determined by scaffolds of protein polymers known as the cytoskeleton and the extracellular matrix, respectively. Experiments on model systems reconstituted from purified components combined with polymer physics concepts have already successfully uncovered some of the mechanisms that underlie the paradoxical mechanics of living matter. Initial work focussed on explaining universal features such as the nonlinear elasticity of cells and tissues in terms of polymer network models. However, living matter exhibits many advanced mechanical functionalities that are not captured by these coarse-grained theories. In this Review, we focus on recent experimental and theoretical insights revealing how their porous structure, structural hierarchy, transient crosslinking, and mechanochemical activity confer resilience combined with the ability to adapt and self-heal. These physical insights improve our understanding of cell and tissue biology and also provide a source of inspiration for synthetic life-like materials.

研究の動機と目的

• 生体組織の耐久性と適応可能性の背後にある力学的原理を理解すること。
• 構造的階層性、一時的架橋、力学化学的活性が、バイオポリマー網状構造の特異的な力学的性質にどのように寄与するかを特定すること。
• モデル系における実験的観察と理論的ポリマー物理学を統合し、生体物質に見られる矛盾する力学的挙動を説明すること。
• 生物的スキャフォールドから得られる設計原理を、合成的で生命に似た材料の開発に活用することを強調すること。
• 粗いグレインモデルを越えて、自己修復や力の生成といった高度な機能を組み込んだバイオポリマー網状構造に焦点を当てること。

提案手法

• 精製されたバイオポリマーと架橋剤を用いた再構成モデル系からの実験データの合成と分析。
• ネットワーク弾性や非一様変形といったポリマー物理学の概念を応用し、力学的応答を解釈すること。
• 構造的階層性と動的架橋の役割を理解するために、計算的および理論的モデリングを用いること。
• 力学化学的フィードバック機構をネットワークモデルに統合し、能動的再編成と力の生成を説明すること。
• 粗いグレインモデルと細かいスケールのモデルの予測と実験結果を比較し、限界と進展を同定すること。
• 微細構造が巨視的力学的挙動に与える影響を理解するために、多孔質なネットワーク構造に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一時的架橋と構造的階層性は、バイオポリマー網状構造が剛性と延長性を両立させるためにどのような物理的メカニズムを提供するか？
• RQ2 生体組織がストレスに応じて自己修復し、機械的性質を適応的に変化させるために、どのような物理的メカニズムが働くか？
• RQ3 バイオポリマーにおける力学化学的活性は、細胞や組織における能動的力の生成と再編成にどのように寄与するか？
• RQ4 バイオポリマー網状構造の非線形弾性応答は、古典的ポリマーネットワーク理論の予測からどのように逸脱するか？
• RQ5 自然のバイオポリマー スキャフォールドから得られる設計原則は、耐久性と機能性を向上させる合成材料にどのように応用できるか？

主な発見

• 細胞骨格と細胞外マトリックスは、ネットワーク構造と動的架橋の相互作用により、非線形弾性を示す。
• 一時的架橋は、ストレス下での可逆的結合の切断と再形成を可能にし、エネルギー散逸と自己修復を実現する。
• 複数スケールにわたる構造的階層性は、機械的頑健性を高めるとともに、バイオポリマー網状構造における多機能性を可能にする。
• ATP駆動のモーター活性などの力学化学的活性は、能動的再編成と力の生成を可能にし、生体ネットワークを非能動的材料から区別する。
• 多孔質で不均一な構造を持つバイオポリマー網状構造は、荷重支持と動的再編成の両方を可能にし、組織の成長と修復を支援する。
• これらの物理的原則は、適応性と自己修復を備えた合成材料の設計に、生命に似た力学的挙動を実現する基盤を提供する。