[논문 리뷰] A multiscale active nematic theory of microtubule/motor-protein assemblies

Tong Gao, Robert N. Blackwell외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 31.

Micro and Nano Robotics인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 미세소관/모터단백질 집합체에서 미세구조적 모터단백질 활동과 거시적 유동 및 결함 역학을 연결하는 다스케일 이론적 프레임워크를 개발한다. 극성 미세소관 집합체의 브라운 운동 시뮬레이션과 연속체 Doi-Onsager 이론을 조합하여, 극성 정렬과 교차결합 회복이 활성 응력의 주요 원천임을 규명하며, 국소적 극성 조직이 활성 난성 유체에서 거대 스케일 유동과 결함 진화를 어떻게 이끄는지 밝혀낸다.

ABSTRACT

Microtubules and motor proteins are building blocks of self-organized subcellular biological structures such as the mitotic spindle and the centrosomal microtubule array. These same ingredients can form new bioactive liquid-crystalline fluids that are intrinsically out of equilibrium and which display complex flows and defect dynamics. It is not yet well understood how microscopic activity, which involves polarity-dependent interactions between motor proteins and microtubules, yields such larger scale dynamical structures. In our multiscale theory, Brownian dynamics simulations of polar microtubule ensembles driven by crosslinking motors allow us to study microscopic organization and stresses. Polarity sorting and crosslink relaxation emerge as two polar-specific sources of active destabilizing stress. On larger length scales, our continuum Doi-Onsager theory captures the hydrodynamic flows generated by polarity-dependent active stresses. The results connect local polar structure to flow structures and defect dynamics.

연구 동기 및 목표

• 미세소관/모터단백질 시스템에서 미세구조적 극성 의존적 모터 활동이 거대 스케일 유체역학적 유동을 어떻게 생성하는지 이해하기.
• 이러한 활성 난성 유체에서 비평형 역학을 이끄는 활성 응력의 미세구조적 기원을 규명하기.
• 자기조직화된 생물학적 집합체에서 국소적 극성 조직과 나타나는 거대 스케일의 유동 및 결함 구조 사이의 격차를 메우기.

제안 방법

• 모터단백질에 의해 교차결합된 극성 미세소관 집합체의 브라운 운동 시뮬레이션을 통해 미세구조적 조직과 응력 생성을 모델링하기.
• 극성 특이적 활성 응력 원천 두 가지를 규명: 극성 정렬과 교차결합 회복.
• 극성 의존적 활성 응력에서 기인하는 유체역학적 유동을 기술하기 위해 연속체 Doi-Onsager 이론 적용.
• 미세구조적 시뮬레이션 결과와 연속체 유체역학을 결합하여 거대 스케일의 유동 및 결함 역학 예측.
• 이론을 활용해 국소적 극성 구조와 나타나는 거대 스케일의 유동 패턴 및 결함 운동 간의 연결 고리 확립.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모터와 미세소관 간의 극성 의존적 상호작용이 미세구조 스케일에서 어떻게 활성 응력을 생성하는가?
• RQ2 극성 미세소관 집합체에서 활성 응력 생성의 주요 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 미세구조적 극성 구조와 활성 응력이 거대 스케일의 유체역학적 유동과 결함 역학을 어떻게 유도하는가?
• RQ4 교차결합 회복과 극성 정렬이 난성 질서를 불안정하게 만드는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 다스케일 이론은 어떻게 미세구조적 활동과 활성 난성 시스템에서 거시적 유체 거동을 일관되게 연결하는가?

주요 결과

• 극성 정렬과 교차결합 회복이 극성 미세소관 집합체에서 활성 불안정 응력의 두 주요 원천으로 규명되었다.
• 이 활성 응력은 연속체 Doi-Onsager 기술에서 관측 가능한 거대 스케일의 유체역학적 유동을 이끈다.
• 이론은 국소적 극성 조직과 복잡한 유동 구조 및 결함 역학의 기원을 성공적으로 연결한다.
• 결함 운동과 유동 패턴은 모터-미세소관 상호작용에서 기인하는 비등방성 활성 응력의 영향을 직접적으로 받는다.
• 모델은 미세소관/모터 시스템에서 활성 난성 거동이 극성 의존적 힘과 유체역학적 결합의 상호작용에서 기인함을 보여준다.