[論文レビュー] Microtubule-based active fluids with improved lifetime, temporal stability and miscibility with passive soft materials

Pooja Chandrakar, John P. Berezney+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2018

Micro and Nano Robotics被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、キネシンモーターをマイクロチューブの骨格に結合させ、非プロセッシブなモーターを用いることで、マイクロチューブを基盤とするアクティブな流体を改善し、数日間の寿命と向上した時間的安定性を達成した。除塩剤の代わりに特定の架橋剤を用いることで、ポリマーゲルや液晶などのパッシブなソフトマテリアルとミスシブル化し、ハイブリッドアクティブマター系への統合が可能になり、高度な生物物理学的研究が可能になった。

ABSTRACT

We have developed several distinct model systems of microtubule-based 3D active isotropic fluids and have compared their dynamical and structural properties. The non-equilibrium dynamics of these fluids is powered by three different types of kinesin motors: a processive motor, a non-processive motor, and a motor which is permanently linked to a microtubule backbone. The fourth modification uses specific microtubule crosslinkers to induce bundle formation instead of a non-specific depletant. In comparison to the formerly developed systems, each new active fluid formulation has certain enhanced properties. Firstly, linking motors to the microtubule backbone enhances the fluid lifetime from hours to several days. Furthermore, switching to the non-processive motors significantly increases the temporal stability of the active dynamics, while using specific cross-linkers yields systems that can incorporate other passive soft materials, such as, polymer gels or liquid crystals. These novel developed model systems will significantly aid and improve our ability to quantify diverse phenomena observed in microtubule based active matter.

研究の動機と目的

• 従来のシステムをはるかに上回る、顕著に延長された寿命を持つマイクロチューブ基盤アクティブ流体の開発。
• 信頼性の高い長期実験が可能な、3次元等方的流体におけるアクティブダイナミクスの時間的安定性の向上。
• ポリマーゲルや液晶などのパッシブなソフトマテリアル（例えば）とミスシブル化可能にするためのハイブリッドアクティブマター系の構築。
• プロセッシブ、非プロセッシブ、およびマイクロチューブに結合されたモーターの3種類のキネシンモーターが、それぞれどのようにアクティブ流体の動的および構造的性質に影響を与えるかを比較する。
• 生物学的に関連性の高い複雑な環境において、アクティブマター現象を定量的に研究できるモデル系の構築。

提案手法

• キネシンモーターをマイクロチューブ関連タンパク質に遺伝子的に融合させ、マイクロチューブの骨格に恒久的に固定する。
• 非特異的除塩剤の代わりに、特定のマイクロチューブ架橋剤を用い、非特異的凝集の代わりに制御されたバンドル化を誘導する。
• 3種類の異なるキネシンモーターを用いた：プロセッシブモーター、非プロセッシブモーター、およびマイクロチューブに恒久的に結合されたモーター。
• 制御されたマイクロチューブおよびモーター濃度を用いて、ボリューム溶液内に3次元等方的アクティブ流体を調製した。
• 時間分解能をもった顕微鏡観察を用いて流体のダイナミクスを特徴付け、モビリティパターン、寿命、構造的進化を分析した。
• ポリマーゲルや液晶と併合することで、パッシブなソフトマテリアルとの相性をテストした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キネシンモーターをマイクロチューブの骨格に直接結合させることで、アクティブ流体の寿命にどのような影響を与えるか？
• RQ2 非プロセッシブモーターへの切り替えが、アクティブ流体ダイナミクスの時間的安定性に与える影響は何か？
• RQ3 特定のマイクロチューブ架橋剤を除塩剤の代わりに用いることで、パッシブなソフトマテリアル（例えばポリマーゲルや液晶）とミスシブル化可能になるか？
• RQ4 異なるモーター種別が、3次元アクティブ等方的流体の構造的および動的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ5 マイクロチューブ基盤アクティブ流体が、ゲルや液晶などのパッシブなソフトマテリアルと統合されたハイブリッド系に、どの程度統合可能か？

主な発見

• キネシンモーターをマイクロチューブの骨格に結合させることで、流体の寿命が数時間から数日へと著しく延長され、システムの耐久性が向上した。
• 非プロセッシブモーターへの切り替えにより、アクティブダイナミクスの時間的安定性が向上し、フラクチュエーションが低減し、再現性が向上した。
• 除塩剤の代わりに特定のマイクロチューブ架橋剤を用いることで、ポリマーゲルや液晶などのパッシブなソフトマテリアルと安定的かつミスシブルに混合可能な系が実現した。
• 新しい配合により、等方的で3次元的な流体的挙動を維持しながら、長期にわたり持続的なアクティブ運動を実現した。
• 多様なパッシブなソフトマテリアルと相性が良好であり、ハイブリッドアクティブマター構造の構築が可能になった。
• これらの改善されたモデル系は、生物学的に関連性の高い複雑な環境においてアクティブマター現象を定量的に評価する強固なプラットフォームを提供する。