[논문 리뷰] Design principles for selective self-assembly of active networks

Simon Freedman, Glen M. Hocky외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 07.

Cellular Mechanics and Interactions참고 문헌 64인용 수 19

한 줄 요약

이 연구는 거친 스케일 시뮬레이션을 사용하여 활성 액틴미오신 네트워크의 선택적 자가조립 설계 원리를 규명하며, 모터 및 교차결합 단백질의 동역학과 농도를 조절하면 고밀도, 극성 정렬, 수축과 같은 세 가지의 별개의 구조적 상을 제어할 수 있음을 보여준다. 각 상은 고유한 기계적 및 운반 기능을 갖는다. 주요 기여는 분자 수준의 동역학과 부상 네트워크의 구조 및 기능을 연결하는 정량적 질서 파라미터를 도입한 것으로, 활성 생체모방 재료의 합리적 설계를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Living cells dynamically modulate the local morphologies of their actin cytoskeletons to perform biological functions, including force transduction, intracellular transport, and cell division. A major challenge is to understand how diverse structures of the actin cytoskeleton are assembled from a limited set of molecular building blocks. Here we study the spontaneous self-assembly of a minimal model of cytoskeletal materials, consisting of semiflexible actin filaments, crosslinkers, and molecular motors. Using coarse-grained simulations, we demonstrate that by changing concentrations and kinetics of crosslinkers and motors we can generate three distinct structural phases of actomyosin assemblies: bundled, polarity-sorted, and contracted. We introduce new metrics to distinguish these structural phases and demonstrate their functional roles. We find that the binding kinetics of motors and crosslinkers can be tuned to optimize contractile force generation, motor transport, and mechanical response. By quantitatively characterizing the relationships between modes of cytoskeletal self-assembly, the resulting structures, and their functional consequences, our work suggests new principles for the design of active materials.

연구 동기 및 목표

• 제한된 분자 구성 블록으로부터 다양한 액틴 세 cytoskeletal 구조가 자가조립되는 방식을 이해하기 위해.
• 활동적인 액틴미오신 네트워크에서 별개의 구조적 상을 형성하는 데 영향을 미치는 동역학적 및 농도 파라미터를 규명하기 위해.
• 네트워크의 구조를 분류하고, 수축성, 뭉치기, 모터 운반과 같은 기능적 결과와 연결짓는 정량적 지표를 개발하기 위해.
• 기계적 및 운반 특성이 조절된 활성 생체모방 재료의 합리적 설계를 이끌기 위해.

제안 방법

• 2차원에서 반탄성 F-actin 필라멘트, 교차결합 단백질, 미오신 모터를 모델링하기 위해 AFINES 프레임워크를 사용한 거친 스케일 분자 동역학 시뮬레이션을 수행하였다.
• 필라멘트는 바브드 끝과 포인티드 끝을 가진 극성이 있는 웜-와이브 체인으로 표현되었으며, 상세한 평형을 유지하는 확률적 마르코프 체인을 통한 동적 결합 및 해리가 수행되었다.
• 미오신 모터는 ATP 수해를 통해 구동되는 단방향 운동을 하는 활성 교차결합 단백질로 모델링되었으며, 하중에 따라 속도가 변하는 방식으로 바브드 끝 쪽으로 이동한다.
• 브라운 운동을 통해 입자의 운동을 시뮬레이션하여 마이크론 스케일 및 분 단위 시간 스케일에서 자가조립 현상을 연구하였다.
• 네트워크의 수축성, 극성 정렬, 뭉치기 정도를 정량화하기 위해 새로운 질서 파라미터를 도입하였으며, 이를 통해 네트워크 상의 분류가 가능해졌다.
• 스트레인 응답 및 시간 지연 이동 프로토콜을 통한 평균 제곱 이동(MSD) 분석을 통해 네트워크의 탄성 및 모터 운반 특성을 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모터 및 교차결합 단백질의 결합 동역학과 농도 변화가 액틴미오신 네트워크에서 별개의 구조적 상이 나타나는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ2 bundled, 극성 정렬, 수축 네트워크 아키텍처를 신뢰성 있게 구분할 수 있는 정량적 지표는 무엇인가?
• RQ3 네트워크의 구조가 기계적 반응, 예를 들어 응력 에너지 밀도 및 시어 모듈러스에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 네트워크의 구조와 모터 운반 동역학(이동 거리 상관관계 및 비정상적 확산 포함) 사이의 관계는 어떠한가?
• RQ5 특정 기능적 출력(예: 수축성 또는 운반 효율성)을 최대화하기 위해 최적의 동역학적 및 구조적 파라미터 조합을 도출할 수 있는가?

주요 결과

• 뭉치기 네트워크는 응력 에너지가 제곱형태로 의존하며, 시어 모듈러스 약 0.66 Pa로 측정되어, 액틴-필라민 네트워크의 실험 측정치와 일치한다.
• 수축 및 극성 정렬 네트워크는 응력 에너지가 선형 의존성을 보이며, 낮은 시어 모듈러스를 가지며 기계적 반응이 유연하고 유체 유사한 특성을 나타낸다.
• 수축성, 뭉치기, 극성 정렬을 최대화하기 위한 최적의 모터 및 교차결합 단백질의 결합 친화도가 존재하며, 이는 동역학적 파라미터에 따라 비단조화적인 의존성을 보인다.
• 고정된 네트워크 상에서의 모터 운반은 비확산적 행동을 보이며, 지연 시간에 따라 각도 분포가 변화하여 일시적인 케이징과 방향성 지속성이 나타난다.
• 바브드 끝에서의 모터 이탈 속도를 증가시키면 θ=π에서의 후진 이동 피크가 감소하여 비정상적 운반 동역학이 억제된다.
• 제안된 질서 파라미터는 네트워크 상을 성공적으로 분류하였으며, 힘 전파 및 기계적 내성과 같은 기능적 결과와의 연관성을 확인하였다.