[論文レビュー] Probing active forces via a fluctuation-dissipation relation

Pierre Bohec, François Gallet+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2012

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、長期記憶を有する非平衡系に対して、新たなフラクチュエーション・ディスシペーション関係を導出しており、細胞内の能動的力に関する従来は入手不可能であった情報を抽出可能にしている。シリカビーズを細胞環境に置いた解析を通じて、熱的揺動と能動的揺動の間のクロスオーバー時間スケールを特定し、プローブが最終的に能動的力由来のランダム駆動に従うことを明らかにした。

ABSTRACT

We derive a new fluctuation-dissipation relation for non-equilibrium systems with long term memory. We show how this relation allows one to access new experimental information regarding active forces in living cells that cannot otherwise be accessed. For a silica bead attached to the wall of a living cell, we identify a cross-over time between thermally controlled fluctuations and those produced by the active forces. We show that the probe position is eventually slaved to the underlying random drive produced by the so-called active forces.

研究の動機と目的

• 長期記憶を有する非平衡系に適用可能なフラクチュエーション・ディスシペーション関係の開発。
• 生きた細胞における能動的力に関する、実験的に入手不可能な情報を抽出すること。
• 熱的駆動揺動と能動的力によって引き起こされる揺動を分離するクロスオーバー時間スケールの特定。
• プローブの運動が時間経過とともに、下位の能動的力駆動に従うことを示すこと。

提案手法

• 非平衡系における長期記憶を考慮した一般化されたフラクチュエーション・ディスシペーション関係の導出。
• 導出された関係を、生きた細胞の細胞質に埋め込まれたシリカビーズに適用。
• ビーズの位置のダイナミクスを解析し、熱的力と能動的力の寄与を区別。
• 能動的力が熱的揺動を上回るようになるクロスオーバー時間を特定。
• プローブの応答を用いて、能動的力駆動の統計的性質を推定。
• プローブの運動が最終的に、能動的力プロセスの時間的変動に従うことを確立。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フラクチュエーション・ディスシペーション関係を、長期記憶を有する非平衡系にどのように拡張できるか。
• RQ2 熱的ノイズが支配的である状況下で、生きた細胞に能動的力が存在することを示す実験的兆候は何か。
• RQ3 系が熱的力支配から能動的力支配に移行する時間スケールはどの程度か。
• RQ4 プローブ粒子を用いて、下位の能動的力駆動の統計的性質を推定できるか。
• RQ5 プローブの運動が、どの程度まで能動的力プロセスに従うようになるか。

主な発見

• 長期記憶を有する非平衡系に適用可能な、新しいフラクチュエーション・ディスシペーション関係が導出された。
• この関係により、従来の解析では入手不可能だった、生きた細胞における能動的力に関する情報の抽出が可能になった。
• プローブのダイナミクスが熱的揺動支配から能動的力駆動に移行するクロスオーバー時間が特定された。
• プローブの位置が、最終的に能動的力駆動の時間的揺動に従うことが示され、下位の能動的プロセスに従属していることが明らかになった。
• この手法により、細胞環境における能動的力の統計的性質を実験的に定量する道筋が得られた。
• 研究結果は、生きた細胞における能動的力が、受動的トレーサー粒子の応答を通じて間接的にプローブ可能であることを示している。