[論文レビュー] The mechanics of a microscopic mixer: microtubules and cytoplasmic streaming in Drosophila oocytes

J. M. Deutsch, M. Brunner+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2011

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ひとこと要約

本論文は、マイクロチューブのマイナス端が細胞皮質に固定された状態で動くキネシンモーターが、流体力学的抗力を作り出し、マイクロチューブにキラルで波状のゆがみを生じさせ、ドーパミンのオオバケイコオコウ細胞における混沌とした細胞質の流れを引き起こすと提案している。接線方向の力による不安定性がキラリティの対称性を破り、長距離にわたる流体力学的結合を通じて効率的な混合を可能にし、測定された力と抗力係数は実験的キネシンストール力と整合的である。

ABSTRACT

Large scale motion of cytoplasm called cytoplasmic streaming occurs in some large eukaryotic cells to stir the cell's constituents. In Drosophila oocytes, microtubules have been observed to undergo undulating motion, curving to form travelling waves during cytoplasmic streaming. Here we show that this wave-like motion can be understood physically as due to the hydrodynamic drag of streaming impellers attached to kinesin motors moving toward the plus-ends of microtubules whose minus ends are anchored to the cell cortex. The tangential forces applied to such microtubules by kinesin give rise to bending and leads to chiral symmetry breaking causing the microtubules to propagate long travelling waves. The waves are reminiscent of those seen in flagellar motion but of a much longer time scale and by a different physical mechanism. We show how kinesin movement can produce a bulk flow of cytoplasm surrounding a microtubule with the range of flow greatly enhanced by the effect of hydrodynamic coupling between impellers. That is, a relatively small number of motors can move a large amount of fluid. The chaotic nature of the fluid motion of cytoplasm caused by kinesin movement along constantly changing microtubule trajectories is important as it greatly enhances the efficiency of mixing. Existing data on in vitro microtubule gliding assays also show this chiral instability in two dimensions and an analysis of this gives quantitative estimates for the forces exerted by motors and the drag coefficient.

研究の動機と目的

• ドーパミンのオオバケイコオコウ細胞における波状のマイクロチューブ運動および細胞質の流れの物理的メカニズムを説明すること。
• 固定されたマイクロチューブに作用するキネシンモーターの力が、接線方向の流体力学的抗力によって曲げと進行波を引き起こす仕組みを示すこと。
• in vitroのグライディングアッセイのデータを用いて、マイクロチューブ-キネシン系における力と抗力係数を定量化すること。
• キラル対称性の破れと流体力学的結合が、低レイノルズ数環境における混合効率を向上させることを確立すること。
• マイクロチューブの波動伝播および流体の流れに関する実験的観察と比較することで、モデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• マイクロチューブをマイナス端が細胞皮質に固定され、プラス端が細胞質中に自由に浮遊する弾性繊維としてモデル化する。
• プラス端に向かって移動するキネシンモーターからの接線方向の力を適用し、これにより流体力学的抗力が生じ、曲げと波動伝播が誘発されることを記述する。
• 潤滑近似を用いた2次元流体力学的モデルを、ナビエ–ストークス方程式に基づいて、マイクロチューブ周囲の流体の流れを記述する。
• 波動伝播のための式を導出し、測定された波の半径 R と角速度 ω から有効抗力係数 ν とモーター力 f_k を求める。
• in vitroグライディングアッセイを分析して力と抗力パラメータを抽出し、理論的予測と実験データを比較する。
• サーストン–ニールセン分類定理を適用し、流体の流れにおける位相的カオスと混合効率を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドーパミンのオオバケイコオコウ細胞における細胞質の流れの過程で、マイクロチューブが波状にゆがむ物理的メカニズムは何か？
• RQ2 キネシンモーターがマイクロチューブに及ぼす力は、どのように大規模な細胞質の流れと混沌とした混合を引き起こすか？
• RQ3 キネシンプロペラ間の流体力学的結合が、流体輸送効率をどのように向上させるか？
• RQ4 弾性マイクロチューブに接線方向の力が作用することで、どのようにキラル対称性の破れが生じるか？
• RQ5 実験的に測定されたパラメータ（R, T）から得られるモーター力と流体抗力の推定値は、どの程度一貫性を示すか？

主な発見

• 測定されたマイクロチューブの波の半径 R ≈ 1.33 ± 0.2 μm と周期 T ≈ 12 ± 1 s から、流体の粘性係数 ν ≈ 133 Ns/m² が得られ、細胞質の粘性と整合的である。
• 波動のダイナミクスから導かれた有効モーター力 f_k ≈ 9.3 × 10⁻⁵ N/m は、実験的に決定されたキネシンのストール力（約5 pN）と一致する。
• キネシンモーターの平均間隔は約53 nmと推定され、高いモーター密度とトゥブリンジマーのサイズ（約8 nm）と整合的である。
• モデルは、流体力学的結合により少数のモーターでも大規模な流体の流れを駆動できることを予測し、混合効率の向上を示している。
• 進行波を引き起こすキラル不安定性は、キネシンからの接線方向の力が直接的に対称性を破ることによって生じ、長波長のゆがみを可能にする。
• in vitroグライディングアッセイからの実験データは、理論的波動解と定性的および定量的に整合しており、モデルの物理的妥当性を支持している。