[論文レビュー] Estimate of entropy generation rate can spatiotemporally resolve the active nature of cell flickering

Sreekanth K Manikandan, Tanmoy Kumar Ghosh+4 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2022

Neural dynamics and brain function参考文献 62被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ヒト由来のヘラ細胞の干渉反射顕微鏡によるきらめきデータから、確率的熱力学に基づく短時間推論スキームを用いて、モデルに依存しない方法で時空間的エントロピー生成率を推定する手法を提案する。この手法により、約1 μm解像度で能動的膜フラクチュエーションを同定でき、ATP活性膜とATP枯渇膜を区別し、細胞膜全体にわたる不均一な活動をマッピングできる。

ABSTRACT

We use the short-time inference scheme (Manikandan, Gupta and Krishnamurthy, Phys. Rev. Lett. 124, 120603, 2020), obtained within the framework of stochastic thermodynamics, to infer a lower-bound to entropy generation rate from flickering data generated by Interference Reflection Microscopy of HeLA cells. We can clearly distinguish active cell membranes from their ATP depleted selves and even spatio-temporally resolve activity down to the scale of about one $μ$m. Our estimate of activity is model--independent.

研究の動機と目的

• 生きた細胞の実験的きらめきデータからエントロピー生成率を推定するモデルに依存しない手法の開発。
• 高い空間的・時間的解像度で細胞膜フラクチュエーションの能動的・非平衡的性質を解明すること。
• エントロピー生成を物理的・定量的指標として用いて、ATP活性膜とATP枯渇膜を区別すること。
• 細胞膜全体にわたる活動の空間的不均一性をマッピングし、非均一なエネルギー消費を明らかにすること。
• 平衡状態の仮定や詳細な力学的モデルに依存しない、一般化可能な細胞活動の定量的フレームワークの提供。

提案手法

• 熱力学的不確実性関係に基づく短時間推論スキームを応用し、きらめき軌道からエントロピー生成率の下界を推定する。
• 主成分分析（PCA）を用いてピクセルレベルのきらめきデータの次元を、いくつかの主要モードに低減する。
• 最初の2つの主成分の短縮された確率的軌道からエントロピー生成率の推定値を数値最適化する。
• 簡単な能動的膜モデルを用いた結果の妥当性評価と、ATP枯渇下での平衡スペクトルとの比較。
• 膜上における約1.44 μm²のパッチを分析することで、エントロピー生成率の空間的マッピングを実施する。
• 不等式 σ ≥ 2kB⟨J⟩² / (t Var(J)) を用いてエントロピー生成を上限で評価し、短時間極限で飽和することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 特定のモデルを仮定せずに、生きた細胞の短時間きらめきデータからエントロピー生成率を信頼性高く推定できるか？
• RQ2 本手法を用いることで、細胞膜における能動的プロセスの時空間的解像度はどの程度向上できるか？
• RQ3 ATP活性膜とATP枯渇膜におけるエントロピー生成率にはどのような差が生じるか？
• RQ4 本手法は膜活動の空間的不均一性を明らかにできるか？また、その不均一性は細胞骨格ダイナミクスと関連しているか？
• RQ5 本手法は、特定のタンパク質や構造の蛍光イメージングと併用して、活動マップを構築できるか？

主な発見

• 1.44 × 1.44 μm²のパッチでエントロピー生成率は約10⁻³ kB s⁻¹に推定され、全パッチ全体で約0.4 kB s⁻¹に達し、従来の単一軌道測定を上回った。
• ATP枯渇膜に比べ、能動的膜は顕著に高いエントロピー生成率を示し、本手法が非平衡状態を区別できる能力を確認した。
• 空間的マップにより、局所的な高活動領域（図2の矢印付近）が特定され、ATP枯渇により消失した。これは、不均一で動的な活動を示している。
• 本手法により、約1 μmの空間解像度を達成し、細胞膜レベルでのエントロピー生成の直接的時空間マッピングを初めて実現した。
• エントロピー生成率はATP枯渇時間とともに単調に減少し、系が平衡状態に近づく傾向と整合的であった。
• 単純な能動的膜モデルの予測と定性的に一致した結果が得られ、本手法の理論的期待値との整合性が裏付けられた。