[論文レビュー] Uncovering the dynamic precursors to motor-driven contraction of active gels

José Alvarado, Luca Cipelletti+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2018

Cellular Mechanics and Interactions参考文献 96被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、再構成されたアクチン-ミオシンゲルにおける顕著な収縮の前触れとして、2つの動的プリカーソルを特定した。1つは時間とともに加速する応力誘発的な再配列であり、もう1つは境界接着に依存する突然で不均一な再配列である。実空間での動画顕微鏡観察とフォアーリエ空間での動的光散乱を併用することで、著者らはこれらの微視的動的挙動が、被動的ゲルにおける遅延破壊と類似しており、それを予測することを明らかにした。これにより、アクティブな細胞骨格収縮の機構的起源に関する新たな知見が得られた。

ABSTRACT

Cells and tissues have the remarkable ability to actively generate the forces required to change their shape. This active mechanical behavior is largely mediated by the actin cytoskeleton, a crosslinked network of actin filaments that is contracted by myosin motors. Experiments and active gel theories have established that the length scale over which gel contraction occurs is governed by a balance between molecular motor activity and crosslink density. By contrast, the dynamics that govern the contractile activity of the cytoskeleton remain poorly understood. Here we investigate the microscopic dynamics of reconstituted actin-myosin networks using simultaneous real-space video microscopy and Fourier-space dynamic light scattering. Light scattering reveals rich and unanticipated microscopic dynamics that evolve with sample age. We uncover two dynamical precursors that precede macroscopic gel contraction. One is characterized by a progressive acceleration of stress-induced rearrangements, while the other consists of sudden rearrangements that depend on network adhesion to the boundaries and are highly heterogeneous. Our findings reveal an intriguing analogy between self-driven rupture and collapse of active gels to the delayed rupture of passive gels under external loads.

研究の動機と目的

• 分子モーター駆動のアクティブゲルにおける顕著な収縮の前触れとなる微視的動的挙動を理解すること。
• 再構成されたアクチン-ミオシンネットワークにおけるモーター駆動収縮の開始を支配する動的プリカーソルを同定すること。
• ネットワークの年齢、架橋密度、境界接着が収縮不安定性の出現に与える影響を調査すること。
• アクティブゲルの収縮と外部応力下での被動ゲルの遅延破壊との類似性を検討すること。
• 細胞骨格ネットワークにおける分子モーターの活動と、それらから生じる顕著な力学的挙動との間のギャップを埋めること。

提案手法

• ゲル内の粒子の運動と構造的再配列を追跡するための同時実空間動画顕微鏡観察。
• 集団的・スケールの動的挙動と不均一性を調査するためのフォアーリエ空間での動的光散乱。
• 時間経過に伴う動的挙動の変化を観察するため、サンプルの年齢を体系的に変化させた。
• 老化したネットワークにおける応力誘発的再配列とその時間的加速の分析。
• 制御された接着条件を用いて、境界接着に依存する突然の再配列の調査。
• 外部応力下での被動ゲルの破壊挙動と比較して、アクティブゲルの動的挙動を検討。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アクティブゲルにおける顕著な収縮の前触れとなる微視的動的プロセスは何か？
• RQ2 ネットワークの年齢は、収縮プリカーソルの出現にどのように影響するか？
• RQ3 境界接着性と不均一性は、ネットワーク内の突然の再配列をどの程度支配するか？
• RQ4 アクティブゲルの収縮の動的挙動は、外部応力下での被動ゲルの遅延破壊と類似させることができるか？
• RQ5 モーター駆動ゲルにおいて、応力誘発的再配列は時間経過とともにどのように変化するか？

主な発見

• 2つの明確に異なる動的プリカーソルが同定された：応力誘発的再配列の進行的加速と、ネットワークの接着に依存する突然で不均一な再配列。
• 応力誘発的再配列の加速は、サンプルの年齢とともに増加し、収縮の前段階で内部応力が蓄積されていることを示唆している。
• 突然の再配列は非常に不均一な形で発生し、ネットワークの境界への接着に強く依存している。
• 観察された動的挙動は、外部応力下での被動ゲルの遅延破壊と顕著な類似性を示しており、共通の機構的起源を示唆している。
• 研究結果は、顕著な収縮が、バルクのレオロジーでは捉えきれない非一様で不均一な動的挙動の前触れであることを明らかにした。
• 実空間画像法とフォアーリエ空間での光散乱の組み合わせにより、アクティブゲルにおける空間的および動的不均一性の解像が可能になった。