[논문 리뷰] Fiber plucking by molecular motors yields large emergent contractility in stiff biopolymer networks

Pierre Ronceray, Chase P. Broedersz외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 11.

Cellular Mechanics and Interactions참고 문헌 22인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 분자 모터가 생고분자 필라멘트에 작용하는 횡방향 힘이 기하학적으로 증폭되는 긴장—'섬유 뽑기'로 명명됨—을 유도하여, 강성 있고 밀도 높은 연결망에서 대규모 수축 스트레스를 생성한다고 제안한다. 선형 힘 전달 방식과 달리, 뽑기 방식은 횡방향 도면에 의해 비선형 증폭을 일으키며, 예상보다 최대 17배 높은 수축력을 만들어내며, 특히 작은 각도 도면에서 긴장 증폭이 최대가 되는 강성 있는 네트워크에서 두드러진다.

ABSTRACT

The mechanical properties of the cell depend crucially on the tension of its cytoskeleton, a biopolymer network that is put under stress by active motor proteins. While the fibrous nature of the network is known to strongly affect the transmission of these forces to the cellular scale, our understanding of this process remains incomplete. Here we investigate the transmission of forces through the network at the individual filament level, and show that active forces can be geometrically amplified as a transverse motor-generated force force "plucks" the fiber and induces a nonlinear tension. In stiff and densely connnected networks, this tension results in large network-wide tensile stresses that far exceed the expectation drawn from a linear elastic theory. This amplification mechanism competes with a recently characterized network-level amplification due to fiber buckling, suggesting that that fiber networks provide several distinct pathways for living systems to amplify their molecular forces.

연구 동기 및 목표

• 분자 모터에서 유래한 활성 힘이 생고분자 네트워크에서 대규모 수축 스트레스를 어떻게 생성하는지 이해하는 것.
• 필라멘트 붕괴와는 다름없이 단일 필라멘트 수준에서의 새로운 힘 증폭 메커니즘을 식별하고 특성화하는 것.
• 네트워크의 강성과 연결성의 영향을 고려하여 뽑기로 유도된 긴장이 대규모 수축성의 발생에 어떻게 기여하는지 조사하는 것.
• 세로골 구조 네트워크에서 뽑기 방식이 붕괴 방식보다 스트레스 증폭 경로로 지배적인 조건를 명확히 하는 것.

제안 방법

• 작은 도면에서 각도의 제곱에 비례하는 굽힘 에너지 손실을 가진 두 개의 히ン지된 후크 법칙에 따르는 스프링을 사용하여 단일 필라멘트 모델을 수립하였다.
• 고정 강성 스프링(강성 k)을 사용하여 양단이 단단히 고정되어 있는 강성 네트워크에 부착된 필라멘트를 모델링하였다.
• 힌지 부위에 수직으로 작용하는 활성 횡방향 힘 F가 가해지며, 이로 인해 T_pluck ∼ F/θ 비례하는 뽑기 긴장 T_pluck 이 발생하며, 이는 도면 각도 θ에 반비례한다.
• 모델은 힘 전달 패tern을 유도하고, 그로 인한 원거리 수축 스트레스를 정량화하여 선형 탄성 이론을 초월한 증폭을 보여주었다.
• 단일 필라멘트 결과를 다양한 네트워크 연결성과 강성 조건에서 수치 시뮬레이션을 통해 다중 필라멘트 네트워크로 확장하였다.
• 모델은 뽑기와 붕괴를 비교하기 위해 두 기하학적 형태에서의 힘 전달 패턴과 스트레스 증폭 정도를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분자 모터가 필라멘트에 작용하는 횡방향 힘이 생고분자 네트워크에서 비선형적으로 수축 스트레스를 증폭시키는 방식은 무엇인가?
• RQ2 네트워크의 강성이 기하학적 증폭을 통해 섬유 뽑기 메커니즘을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 강성 네트워크에서 뽑기 유도 수축 스트레스와 붕괴 유도 스트레스 증폭을 정량적으로 비교하면 어떻게 되는가?
• RQ4 어떤 조건에서 뽑기가 활성 스트레스 생성 메커니즘으로 붕괴를 능가하는가?
• RQ5 뽑기는 재구성된 액티오미오신 네트워크에서 대규모 수축성의 기원을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 섬유 뽑기는 T_pluck ∼ F/θ 비례로 작용하는 횡방향 힘 증폭 메커니즘을 유도하며, 이는 적용된 모터 힘 F를 초월한다. 특히 도면 각도 θ가 작을수록 더욱 두드러진다.
• 강성 있고 밀도 높은 연결망에서는 뽑기가 원거리 수축 스트레스를 선형 힘 전달 방식보다 최대 17배 높게 생성한다.
• 증폭 효과는 중간 수준의 힘에서 최대가 되며, 네트워크 강성 k가 증가할수록 증가한다. 이는 더 작은 도면 각도 θ가 더 큰 긴장을 유도하기 때문이다.
• 뽑기는 본질적으로 수축성이며 힘 방향에 영향을 받지 않으며, 국소적으로 확장성 힘을 장거리 수축 스트레스로 전환시킨다.
• 뽑기와 붕괴는 서로 다른 증폭 메커니즘으로, 뽑기는 국소적이고 기하학적인 방식으로 작용하는 반면, 붕괴는 힘 전달 범위를 늘림으로써 전반적으로 작용한다.
• 뽑기와 붕괴는 상호보완적일 수 있다. 뽑기로 생성된 힘이 붕괴 임계값을 초과하면 네트워크 수준의 붕괴를 통해 추가적인 증폭이 일어날 수 있다.