[논문 리뷰] Biopolymers: life's mechanical scaffolds

Federica Burla, Yuval Mulla외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 03.

Cellular Mechanics and Interactions참고 문헌 215인용 수 35

한 줄 요약

이 리뷰는 세포와 조직에서 세분화된 구조, 일시적 교차결합, 기계화학적 활동을 통해 탄력성과 적응 가능성의 조화를 이루는 세라믹 생고분자(예: 세 cytoskeleton과 세포외기질)가 기계적 거치대로서 기능하는 방식을 탐구한다. 고분자 물리학과 실험적 통찰을 융합함으로써, 이러한 동적 네트워크가 비선형 탄성, 자가치유, 힘 생성을 달성하는 방식을 밝혀내며, 생명 유사 재료를 설계하는 데 필요한 원칙을 제시한다.

ABSTRACT

The cells and tissues that make up our body juggle contradictory mechanical demands. It is crucial for their survival to be able to withstand large mechanical loads, but it is equally crucial for them to produce forces and actively change shape during biological processes such as tissue growth and repair. The mechanics of cell and tissues is determined by scaffolds of protein polymers known as the cytoskeleton and the extracellular matrix, respectively. Experiments on model systems reconstituted from purified components combined with polymer physics concepts have already successfully uncovered some of the mechanisms that underlie the paradoxical mechanics of living matter. Initial work focussed on explaining universal features such as the nonlinear elasticity of cells and tissues in terms of polymer network models. However, living matter exhibits many advanced mechanical functionalities that are not captured by these coarse-grained theories. In this Review, we focus on recent experimental and theoretical insights revealing how their porous structure, structural hierarchy, transient crosslinking, and mechanochemical activity confer resilience combined with the ability to adapt and self-heal. These physical insights improve our understanding of cell and tissue biology and also provide a source of inspiration for synthetic life-like materials.

연구 동기 및 목표

• 생활 조직의 탄력성과 적응 가능성의 기계적 원리를 이해하기 위해.
• 구조적 계층성, 일시적 교차결합, 기계화학적 활동이 생고분자 네트워크의 고유한 기계적 성질에 기여하는 방식을 규명하기 위해.
• 모델 시스템에서의 실험적 관찰을 이론적 고분자 물리학과 융합하여 살아있는 물질에서 나타나는 모순적인 기계적 거동을 설명하기 위해.
• 생물학적 거치대에서 유래한 설계 원칙을 싱크로니즘 기반의 생명 유사 재료 개발에 영감을 주기 위해.
• 거시적 모델을 넘어서 자가치유 및 힘 생성과 같은 고도의 功能을 통합한 생고분자 네트워크를 개발하기 위해.

제안 방법

• 정제된 생고분자와 교차결합제를 사용한 재구성된 모델 시스템에서의 실험 데이터 수집 및 분석.
• 네트워크 탄성과 비동형 변형과 같은 고분자 물리 개념을 적용하여 기계적 반응을 해석하기.
• 구조적 계층성과 동적 교차결합의 역할을 기계적 적응에 대해 이론적 및 계산 모델링을 통해 탐구하기.
• 기계화학적 피드백 메커니즘을 네트워크 모델에 통합하여 능동적 재구성과 힘 생성을 설명하기.
• 거시적 및 미세 스케일 모델의 예측 결과와 실험 결과를 비교하여 한계점과 발전 가능성을 규명하기.
• 다공성 네트워크 구조에 초점을 맞춰 미세구조가 거시적 기계적 거동에 미치는 영향을 이해하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일시적 교차결합과 구조적 계층성이 생고분자 네트워크가 강성과 연신성 모두를 확보할 수 있도록 하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 생활 조직이 스트레스에 반응하여 자가치유하고 기계적 성질을 적응적으로 변화시킬 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 생고분자 내 기계화학적 활동(예: ATP 구동 모터 활동)이 세포와 조직에서 능동적 재구성과 힘 생성에 기여하는 방식은 무엇인가?
• RQ4 생고분자 네트워크의 비선형 탄성 반응이 고전적 고분자 네트워크 이론의 예측과 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ5 자연 생고분자 거치대에서 유래한 설계 원칙은 어떻게 싱크로니즘 기반 재료의 탄력성과 功能 향상에 적용될 수 있는가?

주요 결과

• 세분화된 구조와 동적 교차결합의 상호작용으로 인해 세 cytoskeleton과 세포외기질은 비선형 탄성을 나타낸다.
• 일시적 교차결합은 스트레스 하에서 결합의 가역적 파손과 재형성 덕분에 에너지 소산과 자가치유를 가능하게 한다.
• 다양한 길이 척도에서의 구조적 계층성이 생고분자 네트워크의 기계적 강성과 다기능성을 향상시킨다.
• ATP 구동 모터 활동과 같은 기계화학적 활동은 능동적 재구성과 힘 생성을 가능하게 하여 살아있는 네트워크를 수동 재료와 구분한다.
• 다공성이고 이질적인 생고분자 네트워크의 구조는 하중 지지와 동시에 동적 재구성 가능성을 제공하여 조직 성장과 복구를 지원한다.
• 이러한 물리적 원리는 적응성과 자가수리 기능을 갖춘 생명 유사 기계적 거동을 보이는 합성 재료 설계에 기초가 된다.