[論文レビュー] Self-organization of stress patterns drives state transitions in actin cortices

Tzer Han Tan, Maya Malik Garbi+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2016

Cell Image Analysis Techniques被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、ミオシンモーターによって駆動される自己組織的ストレスパターンが、アクチンコートの状態遷移を引き起こすことを明らかにした。ネットワークの接続性とアクティブストレスの相互作用によって、特徴的な定常状態が生じる。蛍光性シングルウォールカーボンナノチューブを用いて、第二準位相転移に類似した増幅されたひずみフラクチュエーションを示す臨界領域を同定し、非平衡ダイナミクスが生物学的細骨格系における集団的秩序を支配することを示した。

ABSTRACT

Biological functions rely on ordered structures and intricately controlled collective dynamics. In contrast to systems in thermodynamic equilibrium, order is typically established and sustained in stationary states by continuous dissipation of energy. Non-equilibrium dynamics is a necessary condition to make the systems highly susceptible to signals that cause transitions between different states. How cellular processes self-organize under this general principle is not fully understood. Here, we find that model actomyosin cortices, in the presence of rapid turnover, display distinct steady states, each distinguished by characteristic order and dynamics as a function of network connectivity. The different states arise from a subtle interaction between mechanical percolation of the actin network and myosin-generated stresses. Remarkably, myosin motors generate actin architectures, which in turn, force the emergence of ordered stress patterns. Reminiscent of second order phase transitions, the emergence of order is accompanied by a critical regime characterized by strongly enhanced strain fluctuations. The striking dynamics in the critical regime were revealed using fluorescent single-walled carbon nanotubes as novel probes of cortical dynamics.

研究の動機と目的

• 非平衡ダイナミクスがアクチノミオシンコートにおける秩序状態の出現をどのように支配するかを理解すること。
• 機械的パーベコレーションとミオシンが生成するストレスの役割が、コートの状態遷移をどのように決定するかを調査すること。
• 第二準位相転移に類似した臨界現象が、アクティブな生物学的ネットワークに現れるかどうかを検討すること。
• 生体に類似した条件下で、コートのダイナミクスを高分解能で観察するための新規プローブを開発・応用すること。
• ネットワークの接続性、ストレスパターン、および集団的行動との関係を特徴付けること。

提案手法

• 生体に類似した状態を再現するため、急速なアクチントランスフォームを示す再構成されたアクチノミオシンコートを用いた。
• 局所的なひずみおよびストレスダイナミクスをマップするために、蛍光性シングルウォールカーボンナノチューブを高感度プローブとして使用した。
• ネットワーク接続性とミオシン活性を変化させ、特徴的な定常状態間の遷移を調査した。
• 統計力学の枠組みを用いてひずみフラクチュエーションとストレスパターンを分析し、臨界行動を検出した。
• 非平衡統計力学の概念を応用して、出現する秩序および準位相転移を解釈した。
• 実験的観察と理論的モデリングを統合し、機械的パーベコレーションとアクティブストレス生成の関係を結びつけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミオシンが生成するストレスとアクチンネットワークの接続性が、アクチンコートにおける特徴的な定常状態の出現をどのように共同で決定するか？
• RQ2 これらの状態間の遷移が、発散するフラクチュエーションを示すような臨界現象の特徴を示すか？
• RQ3 新規ナノスケールセンサーを用いて、臨界領域のダイナミクスを高時間・空間分解能でプローブできるか？
• RQ4 ストレスパターンの自己組織化が、アクティブな細骨格ネットワークにおける秩序的構造の形成をどの程度駆動するか？
• RQ5 特に臨界点付近において、システムの信号応答が各状態でどのように異なるか？

主な発見

• アクチノミオシンコートにおける特徴的な定常状態は、ネットワーク接続性とミオシン活性に依存し、それぞれが固有の構造的・動的特性を示す。
• ひずみフラクチュエーションが著しく増幅される臨界領域が同定され、第二準位相転移に類似した遷移を示唆した。
• 蛍光性シングルウォールカーボンナノチューブにより、臨界領域で従来検出されなかったダイナミクスが明らかになり、コートストレスパターンの高分解能マッピングが可能になった。
• ミオシンモーターが生成するストレスパターンは、逆にアクチン構造を形作り、自己組織化を駆動するフィードバックループを確立した。
• 機械的パーベコレーションとアクティブストレス生成の相互作用が、秩序状態間の遷移可能性を決定づけた。
• 臨界領域では非平衡秩序が示され、長距離相関が観察された。これは、集団的かつシグナル応答性の高い状態であることを示唆した。