[論文レビュー] Physics of Solutions and Networks of Semiflexible Macromolecules and the Control of Cell Function

Erwin Frey, Klaus Kroy+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 1998

Cellular Mechanics and Interactions参考文献 6被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、アクチンフィラメントやマイクロチューブルなどの半ば剛直なバイオポリマーが細胞内環境下で示す物理学的性質を調査し、その機械的・動的性質が弾性と熱揺らぎのバランスから生じることに注目している。統計力学的手法とシミュレーションを用いて、細胞骨格ネットワークが細胞形状の維持や移動に不可欠な特異な機械的応答を示すことを示しており、新たな種類のソフトマター系として、顕在化する生物学的機能を有する系の解明に貢献している。

ABSTRACT

Living cells are soft bodies of a characteristic form, but endowed with a capacity for a steady turnover of their structures. Both of these material properties, i.e. recovery of the shape after an external stress has been imposed and dynamic structural reorganization, are essential for many cellular phenomena. Examples are mechanical properties of tissue, cell motility, cell growth and division, and active intracellular transport. Numerous experiments in vivo and in vitro have shown that the structural element responsible for the extraordinary mechanical and dynamical properties of eukaryotic cells is the cytoskeleton, a three-dimensional assembly of protein fibers such as actin filaments and microtubules. In addition to those biopolymers various proteins with structural and regulatory functions have a major influence on the mechanical properties. At the relevant length-scales (a few microns at most) the building blocks of these biomaterials are very different from conventional polymeric material. In contrast to flexible polymers the persistence length is of the same order of magnitude as their total contour length or even larger. This implies that the physics of such a system is determined by a subtle interplay between energetic and entropic contributions. We review our present understanding of the physics of biopolymers using concepts from macromolecular and statistical physics complemented by computer simulation. These systems open up a new field of soft condensed matter research, which to date is only poorly understood but has a great potential for interesting new physical phenomena.

研究の動機と目的

• 真核細胞内における半ば剛直なバイオポリマーの機械的・動的挙動を理解すること、特に細胞形状や移動性との関係を明らかにすること。
• 弾性と熱揺らぎの相互作用が細胞骨格ネットワークの物理的性質をどのように決定するかを特定すること。
• ソフトコンデンスドマター物理学の概念と生きた細胞における実験的観察を橋渡しすること。
• 構造的タンパク質および調節因子が細胞骨格ネットワークの機械的応答にどのように寄与するかを調査すること。
• 生物学的系における能動的で動的なバイオマテリアルを研究するための理論的・計算的フレームワークを確立すること。

提案手法

• 持久長が曲線長と同等の半ば剛直ポリマーをモデル化するための統計力学の応用。
• 弾性およびエントロピー的寄与を記述するためのワーム・ライク・チェーン（WLC）モデルの使用。
• 単一フィラメントの力学的解析において、熱揺らぎと曲げ剛性を組み込む。
• 架橋された半ば剛直フィラメントの集団的機械的忆答を模擬するネットワークモデルの構築。
• 密な細胞骨格ネットワークの顕在的機械的性質を探索するためのコンピュータシミュレーションの統合。
• 外部応力下でのネットワークレベルの挙動を記述するための連続体弾性理論とスケーリング議論の使用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アクチンフィラメントなどの半ば剛直なバイオポリマーは、細胞骨格の機械的安定性および動的再編成にどのように寄与するか？
• RQ2 熱揺らぎと曲げ剛性は、個々のフィラメントの機械的応答をどのように決定するか？
• RQ3 架橋タンパク質およびネットワーク構造は、細胞骨格ネットワークの粘弾性特性にどのように影響するか？
• RQ4 半ば剛直ポリマーの物理的性質は、細胞の移動性や分裂といった細胞機能をどのように可能にするか？
• RQ5 柔軟ポリマーとは異なる、密な能動的ネットワークとしての半ば剛直フィラメントから顕在する物理的現象は何か？

主な発見

• 曲げ弾性と熱揺らぎの競合により、半ば剛直なバイオポリマーはガウス分布に従わない揺らぎおよび長距離相関を示す特異な機械的応答を示す。
• 持久長が曲線長と同等またはそれ以上であると、柔軟ポリマーとは異なり、剛性ではあるが柔軟性を示す機械的挙動を示す。
• 細胞骨格ネットワークは、幾何的制約およびフィラメントの架橋により、非線形な弾性応答と変形に対する増強された抵抗性を示す。
• 熱揺らぎは、細胞構造に関連するマイクロメートルスケールの長さにおいて、個々のフィラメントの機械的安定性に顕著な影響を与える。
• 理論的モデリングとシミュレーションにより、ネットワーク力学がフィラメントの剛性、架橋密度、熱ノイズの微妙なバランスによって支配されることを明らかにした。
• 本研究では、能動的で半ば剛直なバイオポリマーからなるネットワークという、新たなソフトマター系のクラスを同定し、その顕在的物理的現象が細胞の基本的機能に根ざしていることを示した。