[論文レビュー] On the capacitive properties of individual microtubules and their meshworks

Aarat P. Kalra, Sahil Patel+8 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2019

Microtubule and mitosis dynamics参考文献 57被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、個々の微小小管およびそのメッシュワークが生理的溶液中でコンデンサとして機能し、反イオンの凝縮によって電荷を貯蔵することを示している。電気的インピーダンス分光法を用いて、1本の20 µmの微小小管の静電容量を1.86 × 10⁻¹² F、抵抗を1.07 × 10¹² Ωと定量した。20–60 Hzの周波数帯で電荷輸送が最大に達する傾向があり、これは低周波数の電気的振動に寄与する可能性があり、重合状態に応じて調整可能な誘電体骨格の役割を果たす可能性を示唆している。

ABSTRACT

Microtubules are hollow cylindrical polymers composed of the highly negatively-charged (~23e), high dipole moment (1750 D) protein a,b-tubulin. While the roles of microtubules in chromosomal segregation, macromolecular transport and cell migration are relatively well-understood, studies on the electrical properties of microtubules have only recently gained strong interest. Here, we show that while microtubules at physiological concentrations increase solution capacitance, free tubulin has no appreciable effect. For a particular microtubule concentration, we were able to quantify these effects by determining the capacitance and resistance of a single 20 um-long microtubule to be 1.86 x 10^(-12) F and 1.07 x 10^12 Ohms respectively. Further, we observed a decrease in electrical resistance of solution, with charge transport peaking between 20-60 Hz in the presence of microtubules, consistent with recent findings that microtubules exhibit electric oscillations at such low frequencies. Our results show that in addition to macromolecular transport, microtubules also act as charge-storage devices through counterionic condensation across a broad frequency spectrum. We conclude with a hypothesis of an electrically-tunable cytoskeleton where the dielectric properties of tubulin are polymerization-state dependent.

研究の動機と目的

• 個々の微小小管およびそのメッシュワークの生理的条件下における静電容量と抵抗を調査すること。
• 微小小管が自由なトゥブリンと比較して、溶液の静電容量および電気的抵抗にどのように影響を与えるかを特定すること。
• 特に低周波数帯（20–60 Hz）における微小小管の周波数依存的電気的応答を調査すること。
• 反イオンの凝縮による電荷貯蔵デバイスとしての微小小管の役割を評価すること。
• トゥブリンの重合状態に依存する誘電特性に基づく電気的に調整可能な骨格の仮説を提示すること。

提案手法

• 生理的バッファー溶液中における微小小管の静電容量および抵抗を測定するために、電気的インピーダンス分光法が用いられた。
• カスタムマイクロフルイディクス装置を用いて、個々の微小小管を画像化し、電気的にプローブした。
• インピーダンス解析を用いて、1本の20 µmの微小小管の静電容量および抵抗を定量した。
• 1–100 Hzの周波数範囲で周波数依存的電気的応答を測定し、振動的挙動を検出した。
• 微小小管特有の効果を分離するために、自由なトゥブリンを用いた制御実験が実施された。
• トゥブリンの高い負の電荷密度に基づき、電荷貯蔵のメカニズムとして反イオンの凝縮がモデル化された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 微小小管は自由なトゥブリンと比較して、溶液の静電容量を顕著に増加させるか？
• RQ2 生理的条件下における1本の20 µmの微小小管の電気的抵抗および静電容量は何か？
• RQ3 微小小管の存在が、特に20–60 Hz帯で周波数選択的電荷輸送を誘導するか？
• RQ4 微小小管の電気的挙動は、その高負電荷表面周囲の反イオンの凝縮に起因するか？
• RQ5 トゥブリンの重合状態に応じてその誘電特性を調整可能とし、電気的に調整可能な骨格を形成できるか？

主な発見

• 1本の20 µmの微小小管は、生理的溶液中で静電容量1.86 × 10⁻¹² F、抵抗1.07 × 10¹² Ωを示した。
• 微小小管は溶液の静電容量を増加させるが、自由なトゥブリンは静電容量および抵抗に顕著な影響を及ぼさない。
• 微小小管含有溶液における電荷輸送は20–60 Hzの範囲でピークに達し、低周波数の電気的振動と整合的である。
• 電気的応答は、非常に負に帯電した微小小管表面における反イオンの凝縮に起因するとされる。
• 結果は、重合状態に依存する誘電体骨格であり、電気的特性を調整可能な可能性を支持する。
• 微小小管はその静電的環境のおかげで、広い周波数範囲にわたり効果的な電荷貯蔵デバイスとして機能する。