[논문 리뷰] Controlling liquid-liquid phase behavior with an active fluid

Alexandra M. Tayar, Fernando Caballaro외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 26.

Micro and Nano Robotics인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 기계적 결합이 존재할 경우, 내부적으로 구동되는 마이크로튜불 기반 활성 유체가 DNA 나노스타 혼합물에서 액체-액체 상분리(LLPS)를 억제할 수 있음을 보여준다. 이는 임계 온도를 낮추고 공존 농도 창을 좁혀서 이루어지며, 활성 응력과 재구성에 기인한다. 시뮬레이션은 이 현상이 활성 LLPS 시스템의 일반적 특성임을 확인한다.

ABSTRACT

Demixing of binary liquids is a ubiquitous transition, which is explained using a well-established thermodynamic formalism that requires equality of intensive thermodynamics parameters across the phase boundaries. Demixing transitions also occur when binary fluid mixtures are driven away from equilibrium, for example, by external shear flow. Predicting demixing transition under non-equilibrium non-potential conditions remains, however, a challenge. We drive liquid-liquid phase separation (LLPS) of attractive DNA nanostar molecules away from equilibrium using an internally driven microtubule-based active fluid. Activity lowers the critical temperature and narrows the coexistence concentrations, but only when there are mechanical bonds between the liquid droplets and the reconfiguring active fluid. Similar behaviors are observed in numerical simulations, suggesting that activity suppression of liquid-liquid phase separation is a generic feature of active LLPS. Our work describes a platform for building soft active materials with feedback control while also providing insight into cell biology, where phase separation emerged as a ubiquitous self-organizational principle.

연구 동기 및 목표

• 비평형 활성 유체가 이진 혼합물에서 액체-액체 상분리(LLPS)에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 활동력이 평형 예측을 초월하여 LLPS 전이를 억제하거나 조절할 수 있는지 확인하는 것.
• 조절 가능한 상 행동을 가진 부드러운 활성 재료를 공 ingeering하기 위한 피드백 제어 플랫폼을 수립하는 것.
• 세포적 맥락에서 활성 상분리 억제의 생물학적 관련성을 탐구하는 것.

제안 방법

• 제어된 상호작용을 가진 수용액 혼합물에서 상분리 성분으로 DNA 나노스타를 사용한 실험.
• 모터 단백질 활동에 의해 내부 응력을 생성하는 마이크로튜불 기반 활성 유체의 통합.
• 드롭렛과 활성 유체 사이의 기계적 결합을 통해 활성 응력을 전달하는 데 사용.
• 현미경을 통한 현장 관찰을 통해 드롭렛 크기, 농도, 응집 동역학을 추적하는 것.
• 상 공존에 대한 활성 응력과 재구성 효과를 모델링하는 수치 시뮬레이션.
• 활동 수준과 기계적 결합을 체계적으로 변화시켜 핵심 물리 메커니즘을 분리하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 활성 유체의 활동은 이진 혼합물에서 액체-액체 상분리의 임계 온도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 드롭렛과 활성 유체 사이의 기계적 결합은 상 행동 조절에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 활성 응력이 상분리를 억제할 수 있으며, 만약 가능하다면 어떤 조건에서 그러한 억제가 이루어지는가?
• RQ4 활동에 의한 LLPS 억제는 다양한 시스템 매개변수에서 일반적인 현상인가?
• RQ5 활성 변동과 재구성 동역학은 공존 농도에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 유체 내 활동은 상분리의 임계 온도를 낮춰 이중선을 낮은 온도 쪽으로 이동시킨다.
• 활성 조건 하에서 공존 농도 창의 폭이 줄어들어 상분리가 억제됨을 나타낸다.
• 드롭렛이 활성 유체와 기계적 결합이 있을 때만 LLPS의 억제가 관찰되며, 이는 응력 전달이 필수적임을 시사한다.
• 수치 시뮬레이션은 실험 결과를 재현하며, 활성 응력과 재구성이 억제를 유도하는 데 충분함을 확인한다.
• 이 억제 효과는 다양한 활동 수준에서 뚜렷하며, 활성 LLPS 시스템에서 일반적인 메커니즘과 일관된다.
• 활성 응력에 의한 피드백 제어를 통해 상 행동이 동적으로 조절 가능하며, 이는 재료 상태의 유연한 조정을 가능하게 한다.