[論文レビュー] Fiber plucking by molecular motors yields large emergent contractility in stiff biopolymer networks

Pierre Ronceray, Chase P. Broedersz+1 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2018

Cellular Mechanics and Interactions参考文献 22被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、分子モーターがバイオポリマー線維に及ぼす横方向の力が、幾何学的に拡大された張力（「繊維引き抜き」と呼ばれる）を引き起こし、剛性で密に接続されたネットワークにおいて大規模な収縮応力を生成することを提案している。線形な力伝達とは異なり、引き抜きは横方向のたわみを通じて非線形な拡大を生じさせ、予想される値よりも最大17倍も高い収縮力を生む。特に、小さな角度のたわみが張力拡大を最大にする剛性の高いネットワークにおいて顕著である。

ABSTRACT

The mechanical properties of the cell depend crucially on the tension of its cytoskeleton, a biopolymer network that is put under stress by active motor proteins. While the fibrous nature of the network is known to strongly affect the transmission of these forces to the cellular scale, our understanding of this process remains incomplete. Here we investigate the transmission of forces through the network at the individual filament level, and show that active forces can be geometrically amplified as a transverse motor-generated force force "plucks" the fiber and induces a nonlinear tension. In stiff and densely connnected networks, this tension results in large network-wide tensile stresses that far exceed the expectation drawn from a linear elastic theory. This amplification mechanism competes with a recently characterized network-level amplification due to fiber buckling, suggesting that that fiber networks provide several distinct pathways for living systems to amplify their molecular forces.

研究の動機と目的

• 分子モーターからの能動的力がバイオポリマー網でどのように大規模な収縮応力を生成するかを理解すること。
• フィラメントの単一レベルで、フィラメントの座屈とは明確に異なる、新しい力拡大メカニズムを同定および特徴づけること。
• ネットワークの剛性と連結性が、引き抜きに起因する張力によって生じる大規模な収縮性の出現にどのように寄与するかを調査すること。
• 細胞骨格網において、引き抜きが座屈よりも優勢な応力拡大経路となる条件を明確にすること。

提案手法

• 微小なたわみに対してθ²に比例する曲げペナルティを持つ2つのヒンジ接続のフックの法則に従うばねを用いて、単一フィラメントモデルを構築した。
• 両端が剛性ばね（剛性k）で固定されており、剛性ネットワークへのしっかりした付着をモデル化した。
• ヒンジ部に垂直に力Fが印加され、T_pluck ∼ F/θ のように、たわみ角θに反比例する引き抜き張力T_pluck が生じる。
• 力伝達のパターンを導出し、その結果として生じる遠方応力（far-field contractile stress）を定量的に評価した。線形弾性理論を越えた拡大が示された。
• 単一フィラメントの結果を、ネットワークの連結性と剛性を変化させた数値シミュレーションを用いて多フィラメントネットワークへと拡張した。
• 引き抜きと座屈を比較するため、両者の幾何学的構造における力伝達パターンと応力拡大の特徴を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モーターがフィラメントに垂直に印加する横方向の力が、バイオポリマー網で非線形的な収縮応力拡大をどのように引き起こすか？
• RQ2 ネットワークの剛性は、繊維引き抜きによる幾何学的拡大を可能にする上で果たす役割は何か？
• RQ3 剛性ネットワークにおいて、引き抜きに起因する収縮性と座屈に起因する応力拡大を定量的に比較するとどうなるか？
• RQ4 引き抜きが座屈よりも優勢な応力生成メカニズムとして機能する条件は何か？
• RQ5 引き抜きは再構成されたアクチノミオシン網における大規模な収縮性の出現を説明できるか？

主な発見

• 繊維引き抜きは、張力T_pluck ∼ F/θ が適用されたモーター力Fを上回る横方向の力拡大メカニズムを生じさせ、特にたわみ角θが小さい場合に顕著である。
• 剛性で密に接続されたネットワークでは、引き抜きによって生じる遠方収縮応力は、線形力伝達によるものと比べて最大17倍も大きくなる。
• 拡大は中程度の力レベルで最大となり、ネットワークの剛性kが高くなるほど増加する。これは、より小さなたわみ角θがより大きな張力を生むからである。
• 引き抜きは本質的に収縮的であり、力の方向に依存しない。局所的な引っ張り力を、長距離にわたる収縮応力に変換する。
• 引き抜きと座屈は明確に異なる拡大メカニズムである：引き抜きは局所的かつ幾何学的であるのに対し、座屈は力伝達範囲を拡大することでグローバルに作用する。
• 引き抜きと座屈は協同的に作用する可能性がある。引き抜きによって生じる力が座屈の臨界値を超えると、ネットワークスケールでの座屈がさらに応力拡大を引き起こす。