[논문 리뷰] Development drives dynamics of living chiral crystals

Tzer Han Tan, Alexander Mietke외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 16.

Micro and Nano Robotics참고 문헌 22인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 수영하는 성충성 우화아가씨 배아가 자발적으로 수천 명이 넘는 개체를 포함하는 장수의, 나선형 대칭을 띠는 생물 결정을 형성하며, 이는 그들의 내재된 발달 과정에 의해 이끌린다. 실험, 유체역학 이론, 시뮬레이션을 통해 저자들은 이러한 살아있는 결정체가 이상 탄성 물질에서 예측된 바와 유사한 자가유지 진동을 나타내며, 개별 발달이 매크로스케일 집단적 역학과 대칭성 파괴를 어떻게 지배하는지를 드러낸다.

ABSTRACT

Active crystals are highly ordered structures that emerge from the nonequilibrium self-organization of motile objects, and have been widely studied in synthetic and bacterial active matter. Whether collective crystallization phenomena can occur naturally in groups of autonomously developing multicellular organisms is currently unknown. Here, we show that swimming starfish embryos spontaneously assemble into chiral crystals that span thousands of spinning organisms and persist for tens of hours. Combining experiment, hydrodynamic theory, and simulations, we demonstrate that the formation, dynamics, and dissolution of these living crystals are controlled by the natural development of the embryos. Remarkably, the living chiral crystals exhibit self-sustained oscillations with dynamic signatures recently predicted to appear in odd elastic materials. More generally, our work demonstrates how autonomous morphological development at the single-organism level can control emergent collective nonequilibrium dynamics and symmetry breaking at the macroscale.

연구 동기 및 목표

• 다세포 생물의 자율적 형태발달이 활성 물질에서 집단적 결정화를 이끌 수 있는가를 조사하기 위해.
• 그러한 발달 과정이 잠재적인 나선형, 장수의, 그리고 역동적인 활성 결정 구조를 초래할 수 있는가를 규명하기 위해.
• 이러한 살아있는 결정의 형성, 역학, 분해 과정과 발달 시기 간의 관계를 탐구하기 위해.
• 관측된 집단적 행동이 이상 탄성 물질에 대한 이론적 예측과 일치하는가를 테스트하기 위해.

제안 방법

• 자발적인 결정 형성과 장기적 역학을 촬영하기 위해 액체 중에서 수영하는 성충성 우화아가씨 배아를 실험적으로 관찰하기 위해.
• 활성인, 발달 중인 입자들로부터 나선형 질서와 자가유지 진동의 기원을 설명하기 위한 유체역학 이론 모델링을 위해.
• 이론적 예측을 검증하기 위해 발달에 의해 유도된 운동성을 갖는 활성 입자 시스템의 수치 시뮬레이션을 위해.
• 시간 간격 영상 데이터 분석을 통해 수십 시간에 걸쳐 결정 크기, 회전, 지속성 등을 정량화하기 위해.
• 이론적 모델링의 이상 탄성 이론과 실험적 역학을 비교하여 동적 서명을 식별하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 자극 없이 자율적으로 발달하는 다세포 생물이 장수의, 나선형 결정을 자발적으로 형성할 수 있는가?
• RQ2 개별 배아의 내재된 발달 프로그램이 형성된 결정의 집단적 역학을 어떻게 지배하는가?
• RQ3 이러한 살아있는 결정체가 이상 탄성 이론에서 예측된 바와 일치하는 자가유지 진동을 나타내는가?
• RQ4 발달 시기가 결정의 형성, 안정성, 그리고 최종 분해 과정에서 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 발달 중 변화하는 유체역학적 상호작용과 운동성 변화가 관측된 대칭성 파괴와 나선형 질서를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 성충성 우화아가씨 배아는 자발적으로 나선형 결정을 형성하며, 이는 수천 명의 개체를 포함하고 수십 시간 동안 지속된다.
• 이러한 결정의 형성과 역학은 배아의 자연적인 발달 진행 과정에 의해 직접적으로 제어된다.
• 이 생물 결정체는 이상 탄성 물질에 대한 이론적 예측과 일치하는 동적 서명을 보이는 자가유지 진동을 나타낸다.
• 이 시스템은 단일 생물의 발달과 활성 물질에서 매크로스케일 대칭성 파괴 사이의 직접적인 연결을 보여준다.
• 유체역학 이론과 시뮬레이션은 발달에 의해 유도된 운동성 변화가 관측된 집단적 행동을 충분히 설명할 수 있음을 확인한다.
• 배아가 발달 주기를 완료함에 따라 결정이 분해되며, 이는 발달과 집단적 역학이 밀접하게 연결되어 있음을 시사한다.