[論文レビュー] Design principles for selective self-assembly of active networks

Simon Freedman, Glen M. Hocky+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2017

Cellular Mechanics and Interactions参考文献 64被引用数 19

ひとこと要約

本研究では粗粒度シミュレーションを用いて、能動的アクチンミオシンネットワークの選択的自己集合の設計原則を同定し、モーターおよびクロスリンクャーの動力学および濃度を調整することで、束ねられた、極性が整列した、収縮したの3つの異なる構造的相を制御できることを示した。各相は特徴的な機械的および輸送的機能を有する。主な貢献は、分子の動力学と出現するネットワーク構造・機能を結びつける定量的秩序パラメータの導入であり、これにより能動的バイオミメティック材料の合理的設計が可能になる。

ABSTRACT

Living cells dynamically modulate the local morphologies of their actin cytoskeletons to perform biological functions, including force transduction, intracellular transport, and cell division. A major challenge is to understand how diverse structures of the actin cytoskeleton are assembled from a limited set of molecular building blocks. Here we study the spontaneous self-assembly of a minimal model of cytoskeletal materials, consisting of semiflexible actin filaments, crosslinkers, and molecular motors. Using coarse-grained simulations, we demonstrate that by changing concentrations and kinetics of crosslinkers and motors we can generate three distinct structural phases of actomyosin assemblies: bundled, polarity-sorted, and contracted. We introduce new metrics to distinguish these structural phases and demonstrate their functional roles. We find that the binding kinetics of motors and crosslinkers can be tuned to optimize contractile force generation, motor transport, and mechanical response. By quantitatively characterizing the relationships between modes of cytoskeletal self-assembly, the resulting structures, and their functional consequences, our work suggests new principles for the design of active materials.

研究の動機と目的

• 限られた分子的構築ブロックから多様なアクチン細骨格構造が自己集合する仕組みを理解すること。
• アクチンミオシンネットワークにおける明確に分離された構造的相の形成を支配する動力学的および濃度パラメータを同定すること。
• ネットワーク構造を分類する定量的指標を開発し、収縮性、束ねられ具合、モーター輸送といった機能的結果と結びつけること。
• 機械的および輸送特性を調整可能な能動的バイオミメティック材料の合理的設計を支援すること。

提案手法

• 2次元で、半剛直なFアクチンフィラメント、クロスリンクャー、ミオシンモーターをモデル化するためのAFINESフレームワークを用いた粗粒度分子動力学シミュレーション。
• フィラメントは極性を持つワーム・ライク・チェインとして表現され、バルベッド端とポイントド端を有する。クロスリンクャーは詳細なバランスを保つ確率的結合・解離をモンテカルロ法でシミュレートする。
• ミオシンモーターはATP加水分解により駆動される能動的クロスリンクャーとしてモデル化され、バルベッド端に向かって負荷依存速度で移動する。
• ブラウン運動ダイナミクスにより粒子の運動をシミュレートし、ミクロンスケールおよび分単位の時間スケールでの自己集合を解析可能にする。
• 収縮性、極性整列、束ねられ具合を定量するための新しい秩序パラメータを導入し、ネットワーク相の分類を可能にする。
• せん断および時間遅れ付き変位プロトコル下でのひずみ応答および平均二乗変位（MSD）解析により、ネットワークの弾性およびモーター輸送を定量する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モーターおよびクロスリンクャーの結合動力学および濃度の変動が、アクチンミオシンネットワークにおける明確に分離された構造的相の出現にどのように寄与するか。
• RQ2 バンドル構造、極性整列構造、収縮構造の3相を信頼性高く区別するための定量的指標は何か。
• RQ3 ネットワーク構造が機械的応答（ひずみエネルギー密度やせん断率）にどのように影響を与えるか。
• RQ4 ネットワーク構造とモーター輸送ダイナミクス（変位相関および異常拡散）との関係は何か。
• RQ5 収縮性や輸送効率といった特定の機能的出力を最大化する最適な動力学的および構造的パラメータ値を特定できるか。

主な発見

• 束ねられたネットワークは二次のひずみエネルギー依存性を示し、約0.66 Paのせん断率を示す。これは実験的に測定されたアクチン-フィラミンネットワークと整合的である。
• 収縮および極性整列ネットワークは線形のひずみエネルギー依存性を示し、脆く流動的・液体的挙動を示す機械的応答を示し、無視できるほどのせん断率を示す。
• 収縮性、束ねられ具合、極性整列性を最大にするための最適なモーターおよびクロスリンクャーの結合親和性が存在し、動力学的パラメータに対して非単調な依存関係を示す。
• 固定されたネットワーク上を移動するモーターは拡散的でない挙動を示し、遅延時間依存の角度分布から一時的キャージングおよび方向的持続性が示唆される。
• バルベッド端でのモーターのoffレートを増加させることで、θ=πにおける後退変位スパイクが抑制され、異常輸送ダイナミクスが軽減される。
• 導入された秩序パラメータは、ネットワーク相の分類に成功し、力伝達や機械的耐性といった機能的結果と構造的整列性を相関づけることに成功した。