[論文レビュー] Measuring structural parameters of crosslinked and entangled semiflexible polymer networks with single-filament tracing

Tina Händler, Cary Tutmarc+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2020

Force Microscopy Techniques and Applications参考文献 43被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、架橋されたおよび絡み合った半剛性ポリマー網目構造における構造パラメータ—管の幅とメッシュサイズ—を測定するためのチューニング可能なトレーサーとして、機械的にプログラム可能なDNAナノチューブを導入する。DNAトレーサーの持久長を変化させることで、単に空間的障害に依存する標準的な管モデルがトレーサーの剛性依存性を予測できないことが示され、正確なネットワーク特徴化にはフィラメント間相互作用の組み込みが不可欠であることが明らかになった。F-アクチンおよび合成DNAネットワークにおいて有効である。

ABSTRACT

Single-filament tracing has been a valuable tool to directly determine geometrical and mechanical properties of entangled polymer networks. However, systematically verifying how the stiffness of the tracer filament or its molecular interactions with the surrounding network impacts the measurement of these parameters has not been possible with the established experimental systems. Here, we use mechanically programmable DNA nanotubes embedded in crosslinked and entangled F-actin networks, as well as in synthetic DNA networks, in order to measure fundamental, structural network properties like tube width and mesh size with respect to the stiffness of the tracers. While we confirm some predictions derived from models based purely on steric interactions, our results indicate that these models should be expanded to account for additional inter-filament interactions, thus describing the behavior of real polymer networks.

研究の動機と目的

• 複雑な半剛性ポリマー網目の構造的パラメータ（管の幅やメッシュサイズなど）を直接測定する手法を開発すること。
• トレーサーフィラメントの剛性が、絡み合ったおよび架橋されたネットワークにおける管モデルの予測精度に与える影響を調査すること。
• 空間的障害にのみ依存する既存の理論的モデルが、実際のポリマー網目の挙動を定量的に記述できるかどうかを検証すること。
• トレーサーの持久長およびネットワーク種別に依存する管モデルの依存関係を調査することで、半剛性ポリマーに対する管モデルの妥当性を検証・拡張すること。
• シングルフィラメントトレーシングを用いて、細胞骨格などの生物学的に重要なネットワークの構造的特性を定量的に特徴付けるフレームワークを提供すること。

提案手法

• F-アクチンおよび合成DNAネットワークにおける非特異的かつ非結合的トレーサーとして、調節可能な持久長を有する機械的にプログラム可能なDNAナノチューブ（nHTs）の使用。
• 蛍光顕微鏡を用いたシングルフィラメントトレーシングにより、nHTsがネットワーク内での拡散および閉じ込め状態を追跡すること。
• 管モデルを適用し、測定された管の幅（a）からメッシュサイズ（ξ）を抽出するための式 a ≈ 0.31ξ^(6/5)l_p^(1/5) + 0.59ξ²/L を用いること。
• スケーリング則および有限長補正を調査するため、nHTの曲線長（L）および持久長（l_p）を体系的に変化させること。
• 厚い試料内での蛍光標識nHTの正確な3次元追跡を確保するため、深度補正を施した共焦点顕微鏡の使用。
• 実験的管幅と理論的予測値の比較を通じて、モデルの妥当性を評価し、追加の相互作用項が必要となる乖離を同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トレーサーフィラメントの剛性が、絡み合ったおよび架橋された半剛性ポリマー網目の測定された管の幅にどのように影響を与えるか？
• RQ2 空間的障害のみを考慮する管モデルが、実際のポリマー網目におけるトレーサー拡散からメッシュサイズをどれほど正確に予測できるか？
• RQ3 トレーサーフィラメントの有限長が管の幅測定に顕著に影響を及ぼすかどうか、およびその補正はどのように行えるか？
• RQ4 非結合的DNAナノチューブをトレーサーとして用いることで、架橋されたF-アクチン網目に管モデルを信頼性高く適用できるか？
• RQ5 空間的障害を超えたフィラメント間相互作用（例：一時的結合、流体力学的結合など）が、トレーサーフィラメントの有効な閉じ込めに果たす役割は何か？

主な発見

• F-アクチンおよびDNAネットワークにおけるDNAナノチューブトレーサーの管の幅は、管モデルが予測するように、メッシュサイズとトレーサーの持久長に比例して変化し、a ∝ ξ^(6/5)l_p^(1/5) のスケーリング関係が確認された。
• 実験データは、管の幅がトレーサーの曲線長に逆比例するという予測（a ∝ L^−1）が観察されないことを示しており、これは有限長効果が現在のモデルで十分に捉えられていないことを示唆している。
• 管モデル式における有限長補正項（0.59ξ²/L）は、特に短いトレーサーでは観測データを説明するのに不十分であり、これには追加の物理的効果が関与している可能性がある。
• 全管モデル式を用いて管の幅から導かれたメッシュサイズ測定値は、異なるトレーサー長およびネットワーク種別において一貫しており、この手法の信頼性が裏付けられた。
• 空間的障害のみのモデルが剛性依存性を正しく予測できないことから、一時的結合や流体力学的結合などのフィラメント間相互作用が理論的フレームワークに組み込まれる必要があることが示された。
• 非結合的DNAナノチューブの使用により、架橋系においてネットワーク構造を直接的かつ分離的に測定可能となり、細胞骨格や合成バイオポリマー網目の研究に新たなツールが提供された。