[論文レビュー] Filamentous Active Matter: Band Formation, Bending, Buckling, and Defects

G. A. Vliegenthart, Arvind Ravichandran+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2019

Micro and Nano Robotics参考文献 53被引用数 47

ひとこと要約

本研究では、コンponentベースのランジュバンダイナミクスシミュレーションを用いて、分子モーターが半ば剛性フィラメント内での自己組織化をどのように駆動するかを解明した。極性の整列と座屈不安定性によって、アクティブな極性ネマチック構造が形成される。主な発見として、モーター活性に伴いアクティブ拡散とドメインサイズの普遍的スケーリングが確認され、流体力学的相互作用が存在しない状況でも、反平行モーター力によってドメイン境界に動的トポロジカル欠陥が生じることが分かった。

ABSTRACT

Motor proteins drive persistent motion and self-organisation of cytoskeletal filaments. However, state-of-the-art microscopy techniques and continuum modelling approaches focus on large length and time scales. Here, we perform component-based computer simulations of polar filaments and molecular motors linking microscopic interactions and activity to self-organisation and dynamics from the two-filament level up to the mesoscopic domain level. Dynamic filament crosslinking and sliding, and excluded-volume interactions promote formation of bundles at small densities, and of active polar nematics at high densities. A buckling-type instability sets the size of polar domains and the density of topological defects. We predict a universal scaling of the active diffusion coefficient and the domain size with activity, and its dependence on parameters like motor concentration and filament persistence length. Our results provide a microscopic understanding of cytoplasmic streaming in cells and help to develop design strategies for novel engineered active materials.

研究の動機と目的

• . フィラメント-モーター系における自己組織化の微視的起源を理解すること。
• . モーター活性、フィラメントの柔軟性、クロスリンクの役割が、バンドや欠陥といった顕在的構造をどのように駆動するかを調査すること。
• . 反平行モーターと活性が、座屈不安定性およびドメイン形成を引き起こす役割を特定すること。
• . モーター力と系のパラメータを用いたアクティブ拡散とドメインサイズの普遍的スケーリング則を確立すること。
• . 分子スケールの相互作用からミクロスケールのダイナミクスへと橋渡しをする最小限の、コンponentベースのモデルを提供すること。

提案手法

• . 2次元の半ば剛性フィラメントと分子モーターの混合系を、周期的境界条件を用いたランジュバルダイナミクスでシミュレートした。
• . フィラメントを、曲げ剛性を設定するための調和的スプリングでつながったビーズの鎖としてモデル化した。
• . 分子モーターを、フィラメントに沿って一方向に歩行する調和的スプリングとしてモデル化し、ステップサイズをビーズ間隔に等しくした。
• . モーターの結合確率を、局所的なモーター濃度と近接度に依存させる一方、フィラメントの端に達するか、過剰に引き伸ばされた場合に解体するように設定した。
• . オーバードンプド状態における熱的平衡を保つために、フラクチュエーション・ドレインスの定理を適用し、時間刻みと摩擦係数を調整して拡散的挙動を再現した。
• . モーターが発生させる全力によってアクティビティを定量化し、これが系全体のダイナミクスと不安定性の発生に相関していることを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 . 分子モーターは、初期にネマチック状態にあるフィラメント系において、どのように極性整列とバンド形成を引き起こすか？
• RQ2 . アクティブなフィラメント-モーター系における極性ドメインのサイズと安定性は、何によって決定されるか？
• RQ3 . モーター活性、特に反平行クロスリンクを通じて、どのように座屈型不安定性と欠陥形成が生じるか？
• RQ4 . アクティブ拡散、ドメインサイズ、モーターが引き起こす力との間のスケーリング関係は何か？
• RQ5 . このような系において、流体力学的相互作用が欠陥ダイナミクスを駆動する要因としてどの程度無視できるか？

主な発見

• . システムは、当初の無秩序なネマチック状態から、反平行フィラメントに働くモーター由来の力によって駆動されるアクティブな極性ネマチック状態へと進化し、極性バンドのコarseningが観察された。
• . 高い活性度において、座屈型不安定性が発生し、秩序あるバンドが破壊され、持続的な欠陥生成と消滅を伴う無秩序で動的なドメインが形成された。
• . アクティブ拡散係数とドメインサイズは、反平行モーターの数とその延長に依存するモーター由来の力に対して、普遍的にスケーリングする。
• . 反平行モーターの割合は、フィラメントの持久長が短くなるほど、およびモーター速度が速くなるほど増加し、これによりドメインは小さくなり、界面長が延びる。
• . トポロジカル欠陥は、極性ドメインの三重接合部に出現し、極性の向きによって区別される2種類の配置が存在する。
• . 欠陥ダイナミクスは、±1/2欠陥ペアの拡張運動によって駆動され、これにより長時間スケールでのアクティブ拡散が持続される。