[논문 리뷰] Defect-mediated morphogenesis

Ludwig A. Hoffmann, Livio Nicola Carenza외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 31.

Micro and Nano Robotics참고 문헌 48인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 활성 극성 액체 결정에서의 위상 결함이 탄성력 집중과 표면장력의 능동적 유동 재규격화를 통해 불안정성 유도 성장 형성에 기여함으로써 조직 형성의 조직화 중심으로 작용한다고 제안한다. 선형 안정성 분석과 수치 유체역학을 사용하여, 비틀림 불안정성은 밀폐된 세포층에서 디스크리네이션에 의해 유도되며, 진동, 다공핵 형성 및 능동적 난류와 같은 복잡한 형태역학적 행동을 유도함을 보여준다.

ABSTRACT

Growing experimental evidence indicates that topological defects could serve as organizing centers in the morphogenesis of tissues. In this article we provide a quantitative explanation for this phenomenon, rooted in the buckling theory of deformable active polar liquid crystals. Using a combination of linear stability analysis and computational fluid dynamics, we demonstrate that confined cell layers are unstable to the formation of protrusions in the presence of disclinations. The instability originates from an interplay between the focusing of the elastic forces, mediated by defects, and the renormalization of the system's surface tension by the active flow. The post-transitional regime is also characterized by several complex morphodynamical processes, such as oscillatory deformations, droplet nucleation and active turbulence. Our findings offer an explanation of recent observations on tissue morphogenesis and shed light on the dynamics of active surfaces in general.

연구 동기 및 목표

• 발달 중인 간엽에서 위상 결함이 조직 형성의 조직화를 어떻게 이끌어내는지 설명하기.
• 밀폐된 활성 세포층에서 결함 유도 불안정성의 물리적 메커니즘을 규명하기.
• 탄성력과 능동적 유동이 조직 변형을 어떻게 형성하는지 정량화하기.
• 활성 표면의 비틀림 후 형태역학적 현상, 예를 들어 진동과 난류를 특성화하기.

제안 방법

• 밀폐된 활성 극성 액체 결정에서의 불안정성 발생을 연구하기 위해 선형 안정성 분 析를 적용하였다.
• 형태적 불안정성의 비선형 진화를 모델링하기 위해 수치 유체역학 시뮬레이션을 적용하였다.
• 비틀림 이론과 활성 물질 물리학을 통합하여 위상 결함 근처에서 탄성력 집중을 기술하였다.
• 디스크리네이션 존재 시 능동적 유동에 의해 표면장력의 재규격화를 추적하였다.
• 시스템에서 선형 불안정성에서 복잡한 전이 후 동역학으로의 전이를 분석하였다.
• 집단 현상으로서의 진동 변형, 다공핵 형성 및 능동적 난류의 발생을 모델링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 위상 결함이 밀폐된 활성 세포층에서 형태적 불안정성을 어떻게 유도하는가?
• RQ2 결함에 의한 조직 변형에서 탄성력 집중의 역할은 무엇인가?
• RQ3 능동적 유동이 표면장력을 어떻게 재규격화하여 돌출 형성 촉진하는가?
• RQ4 활성 표면의 비틀림 후 단계에서 어떤 복잡한 형태역학적 과정이 나타나는가?
• RQ5 결함에 의한 불안정성이 조직 형성에서의 실험 관측을 어느 정도 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 활성 극성 액체 결정에서의 위상 결함은 국소적 비틀림 불안정성을 유도함으로써 조직 형성의 조직화 중심으로 작용한다.
• 이 불안정성은 디스크리네이션 근처에서 탄성력 집중과 능동적 유동에 의한 표면장력 재규격화에 기인한다.
• 선형 안정성 분석은 디스크리네이션이 존재할 경우 밀폐된 세포층이 불안정해지고 돌출 형성이 유도됨을 확인한다.
• 전이 후 동역학에는 진동 변형, 다공핵 형성 및 능동적 난류가 포함되어 풍부한 형태학적 복잡성을 나타낸다.
• 모델은 최근의 결함에 의해 유도된 조직 형태 변화 실험 관측을 정량적으로 설명한다.
• 이 틀은 생물학적 조직을 초월하여 활성 물질 시스템에 적용 가능한 일반적인 활성 표면 역학 메커니즘을 제공한다.