[논문 리뷰] Actin based propulsion: Intriguing interplay between material properties and growth processes

Karin John, Denis Caillerie외 4명|ArXiv.org|2009. 09. 03.

Cellular Mechanics and Interactions참고 문헌 52인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 액틴 기반 추진에서 액틴 중합 동역학과 기계적 성질 간의 이론적 프레임워크를 제시하며, 젤 탄성, 브러시 표면에서의 중합 동역학, 점성 소산 간의 상호작용으로 인해 비대칭적인 힘이 발생함을 보여준다. 주요 결과는 물체의 운동이 활성 힘만으로 발생하는 것이 아니라 마찰 비대칭성과 트레드밀링에 의해 발생하며, 물체 속도는 마찰 계수의 비율에 의해 결정됨을 보여주며, 저레이놀즈수 환경에서 관측된 속도가 트레드밀링 속도에 가까운 것을 설명한다.

ABSTRACT

Eukaryotic cells and intracellular pathogens such as bacteria or viruses utilize the actin polymerization machinery to propel themselves forward. Thereby, the onset of motion and choice of direction may be the result of a spontaneous symmetry-breaking or might be triggered by external signals and preexisting asymmetries, e.g. through a previous septation in bacteria. Although very complex, a key feature of cellular motility is the ability of actin to form dense polymeric networks, whose microstructure is tightly regulated by the cell. These polar actin networks produce the forces necessary for propulsion but may also be at the origin of a spontaneous symmetry-breaking. Understanding the exact role of actin dynamics in cell motility requires multiscale approaches which capture at the same time the polymer network structure and dynamics on the scale of a few nanometers and the macroscopic distribution of elastic stresses on the scale of the whole cell. In this chapter we review a selection of theories on how mechanical material properties and growth processes interact to induce the onset of actin based motion.

연구 동기 및 목표

• 유사세포 및 세포내 병원성 미생물에서 액틴 기반 추진 시스템의 방향성 운동의 기계적 기원을 이해하기 위해.
• 외부 힘이 없는 상황에서 관성 효과가 극히 미미한 (Re ≪ 1) 환경에서도 운동이 어떻게 자발적으로 시작되는지에 대한 역설을 해결하기 위해.
• 액틴 브러시에서의 미세 구조적 중합 동역학과 액틴 젤 내 거시적 응력 분포 간의 격차를 메우기 위해.
• 탄성 불안정성과 반응-확산 신호 전달을 통합하여 세포 운동의 통합 모델을 수립하기 위해.

제안 방법

• 액틴 젤의 복잡한 미세 구조를 기술하면서도 연속적인 기계적 프레임워크를 유지할 수 있도록 균질화 모델을 개발한다.
• 곡면에서 성장하는 액틴 젤의 안정성을 분석하며, 모드 수(m ≤ 4 대비 m > 4)에 따라 파동형 불안정성과 퍼스티틱 불안정성을 식별한다.
• 점성 영역에서의 힘 균형 모델을 사용하며, 물체와 액틴 코메트에 각각 ξₒ 및 ξc의 마찰 계수를 가정한다.
• 물체 속도를 vₒ = vₜ ξc / (ξₒ + ξc)로 유도하며, 여기서 vₜ는 트레드밀링 속도이며, 운동이 마찰 비대칭성에 의해 발생함을 보여준다.
• EGF08 및 GFF08에서 제안한 바와 같이, 균질화된 젤 기계학과 브러시에서의 동적 중합 간의 결합을 제안하여, 앞선 가장자리와 같은 복잡한 기하학적 형상을 모델링한다.
• 반응-확산 시스템으로 모델링된 신호 전달 계보가 세포극성 유도 및 액틴 활성 조절에 미치는 영향을 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 점성 있고 저레이놀즈수 환경에서 외부 힘이 없는 조건에서 어떻게 액틴 중합이 방향성 운동을 유도할 수 있는가?
• RQ2 운동하는 물체와 액틴 코메트 사이의 마찰 비대칭성이 물체의 속도에 미치는 역할은 무엇인가?
• RQ3 액틴 젤의 탄성 불안정성이 브러시 표면에서의 중합 동역학과 어떻게 결합되어 대칭성 파괴를 유도하는가?
• RQ4 반응-확산 신호 전달 시스템과 기계적 불안정성이 어떻게 공진화하여 세포극성의 수립과 유지에 기여하는가?
• RQ5 나노스케일 중합 동역학과 매크로스케일 응력장 간의 격차를 메우기 위해 통합 모델은 어떻게 구성되어야 하는가?

주요 결과

• 액틴 기반 추진에서의 운동은 활성 힘 생성 외에도 점성 소산과 물체 및 액틴 코메트 간의 마찰 비대칭성에 의해 주로 이뤄진다.
• 물체 속도는 vₒ = vₜ ξc / (ξₒ + ξc)로 주어지며, 이는 운동이 절대적 힘 크기의 영향을 받는 것이 아니라 마찰 계수의 비율에 의해 결정됨을 보여준다.
• 액틴 코메트의 마찰 계수가 훨씬 높은 경우(ξc ≫ ξo)에 물체 속도는 트레드밀링 속도 vₜ에 수렴하며, 이는 실험 관측 결과와 일치한다.
• 작은 모드 수(m ≤ 4)의 경우 내부 및 외부 표면에서의 진동형 불안정성이 상변위로 나타나며, 높은 모드의 경우 외부 및 내부 표면에서의 반대위상 모드가 나타나는 퍼스티틱 불안정성이 발생한다.
• 이론적 모델은 실제 기하학적 형상에서의 액틴 젤 성장과 변형을 포괄하기 위해 균질화된 젤 기계학과 동적 브러시 동역학을 결합해야 한다.
• 반응-확산 신호 전달과 기계적 불안정성을 통합하는 것은 아직 도전 과제이지만, 이 두 요소는 강력한 세포극성과 운동을 위한 필수 조건이다.