[論文レビュー] Physics and modelling of intracellular diffusion

Svyatoslav Kondrat|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2018

Gene Regulatory Network Analysis被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、凝集した細胞内環境における細胞内拡散を物理的枠組みでモデル化する手法を提示しており、ブラウン運動シミュレーションを用いて空間的障害および流体力学的効果に注目している。マクロ分子の拡散は、遮断体の組成と体積分率に強く依存しており、中間時間スケールでは異常なサブディファージョンが顕著に現れる。これは、体積分率のみをクローディングの指標として用いることの不適切さを示し、人工的遮断体を用いた簡素化されたin vitroモデルの限界を浮き彫りにしている。

ABSTRACT

Diffusion is a fundamental phenomenon that occurs ubiquitously in nature and remains the subject of continuous research interest. Understanding diffusion is a key to understanding leaving systems. In this Chapter, I discuss diffusion of macromolecules under crowding conditions inside living cells. I describe briefly how to characterize, model and measure diffusion properties. The focus is on physics and simulations, with a particular emphasis on the effects important for crowded, biologically relevant systems.

研究の動機と目的

• マクロ分子の拡散が希釈な実験的条件下とは対照的に、凝集した細胞内環境下でどのように変化するかを理解すること。
• 密度の高い生物学的系において、空間的および流体力学的相互作用が拡散係数の低下に果たす役割を評価すること。
• 分子の組成に敏感でない体積分率が、クローディングの唯一の指標としての妥当性に疑問を呈する背景を評価すること。
• 実験的観察で確認される異常なサブディファージョンと、現在のブラウン運動シミュレーションが長時間スケールに到達できない制限との間に生じる乖離を解明すること。
• 全細胞シミュレーションにおいて拡散と生化学的反応を両方組み込んだ、より洗練されたマルチスケールモデルの必要性を強調すること。

提案手法

• 摩擦および流体力学的相互作用を考慮したブラウン運動を記述するため、ランジュバン方程式およびエルマック＝マケマモン方程式を用いたモデル化。
• サイズおよび組成が異なる明示的なマクロ分子を用いたブラウン運動シミュレーションにより、細胞質環境を再現。
• 平均二乗変位（MSD）解析を用いて拡散行動を定量的に評価し、短時間、異常、長時間の領域を区別。
• 人工的遮断体を用いた二成分系と、複雑な多成分モデル細胞質との比較により、クローディング効果を評価。
• エルゴディシティの仮定の下で統計的信頼性を向上させるために、時間平均およびアンサンブル平均のMSDを適用。
• 過減衰ランジュバル方程式に流体力学的相互作用を組み込んだErmak-McCammonアルゴリズムを用い、粘性で凝集した媒体内での粒子運動を正確にシミュレート可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 凝集した細胞内環境下でマクロ分子の拡散は、通常のフィックの法則に従わないのはどのような点か？
• RQ2 空間的および流体力学的相互作用が、密度の高い細胞質における拡散係数の低下をどれほど支配しているか？
• RQ3 現在のブラウン運動シミュレーションが長時間スケールに到達できない制限があるにもかかわらず、なぜ実験的観察で異常なサブディファージョンが継続的に観察されるのか？
• RQ4 マクロ分子遮断体の組成が拡散に与える影響は何か？ また、モノ分散の人工的遮断体がin vivo条件を再現できない理由は何か？
• RQ5 体積分率のみがクローディングの信頼できる代理指標として機能できるのか、それとも分子の組成が拡散速度の決定要因として同様に重要なのか？

主な発見

• 短時間の拡散係数 $ D_s $ はマクロ分子のサイズおよび体積分率の増加に伴い減少するが、長時間の係数 $ D_l $ は凝集環境下で顕著に低下する。
• 中間時間スケール $ \tau_s < t < \tau_l $ において異常なサブディファージョンが出現し、クロスオーバー時間スケールは分子間距離およびパッケージング分率に依存する。
• クロスオーバー時間 $ \tau_s $ は粒子サイズに応じて増加し、体積分率に応じて減少する。$ \eta_{\text{max}} = \pi/6 \approx 0.54 $ で消失し、最大パッケージングの理論的限界を示している。
• 多成分からなる複雑なモデル細胞質における拡散は、同じ体積分率を持つ二成分系よりも速く進行しており、組成が体積分率を超えて拡散に顕著に影響していることを示している。
• デキストランなどの人工的遮断体は、in vivo環境を適切に再現できない可能性があり、全体の体積分率が高いために二成分系よりも拡散が速いにもかかわらず、細胞質内での拡散は同程度の凝集度の二成分系よりも速い。
• 本研究では、体積分率がクローディングの十分な指標でないことが明らかになった。同じ体積分率であっても、マクロ分子の組成によって拡散速度が異なるためである。