[논문 리뷰] Filamentous Active Matter: Band Formation, Bending, Buckling, and Defects

G. A. Vliegenthart, Arvind Ravichandran외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 21.

Micro and Nano Robotics참고 문헌 53인용 수 47

한 줄 요약

이 연구는 구성요소 기반 랑주반 역학 시뮬레이션을 사용하여 분자 모터가 반탄성 필라멘트의 자가조직화를 어떻게 이끌어내는지 밝혀내며, 극성 정렬과 납작아지기 불안정성에 의해 활성 극성 네마틱 구조를 형성한다. 주요 발견으로는 모터 활동에 따라 활성 확산과 도메인 크기의 보편적 스케일링 법칙이 존재하며, 유체역학적 상호작용이 없더라도 반대 방향 모터 힘에 의해 도메인 경계에서 동적인 토폴로지 결함이 발생한다는 점이다.

ABSTRACT

Motor proteins drive persistent motion and self-organisation of cytoskeletal filaments. However, state-of-the-art microscopy techniques and continuum modelling approaches focus on large length and time scales. Here, we perform component-based computer simulations of polar filaments and molecular motors linking microscopic interactions and activity to self-organisation and dynamics from the two-filament level up to the mesoscopic domain level. Dynamic filament crosslinking and sliding, and excluded-volume interactions promote formation of bundles at small densities, and of active polar nematics at high densities. A buckling-type instability sets the size of polar domains and the density of topological defects. We predict a universal scaling of the active diffusion coefficient and the domain size with activity, and its dependence on parameters like motor concentration and filament persistence length. Our results provide a microscopic understanding of cytoplasmic streaming in cells and help to develop design strategies for novel engineered active materials.

연구 동기 및 목표

• . 필라멘트-모터 시스템에서 자가조직화의 미세구조 기원을 이해하기 위해.
• . 모터 활동, 필라멘트 유연성, 교차결합이 밴드 및 결함과 같은 탄생 구조를 어떻게 이끌어내는지 조사하기 위해.
• . 반대 방향 모터와 활동이 납작아지기 불안정성과 도메인 형성에 미치는 역할을 규명하기 위해.
• . 모터 힘과 시스템 매개변수에 따라 활성 확산과 도메인 크기의 보편적 스케일링 법칙을 수립하기 위해.
• . 분자 척도 상호작용에서 중간 척도 역학으로 이어지는 최소한의 구성요소 기반 모델을 제공하기 위해.

제안 방법

• . 두 차원의 반탄성 필라멘트와 분자 모터의 분산 시스템을 주기적 경계 조건을 갖는 랑주반 역학으로 시뮬레이션한다.
• . 필라멘트를 휘어짐 강성이 있는 조화 진동자로 연결된 구슬의 체인으로 모델링하여 영구 길이를 설정한다.
• . 분자 모터를 필라멘트를 따라 일정 방향으로 이동하는 조화 진동자로 모델링하며, 구슬 간격과 동일한 스텝 크기를 가진다.
• . 국소 모터 농도와 근접도에 따라 결합 확률을 설정하고, 필라멘트 끝에 도달하거나 과도하게 늘어날 경우 탈착되도록 구현한다.
• . 과다된 차원에서 열적 평형을 확보하기 위해 변동-소산 정리( fluctuation-dissipation theorem )를 적용하며, 시간 간격과 마찰 계수를 조절하여 확산 행동을 유도한다.
• . 반대 방향 모터가 가하는 총 힘을 통해 활동성을 정량화하며, 이는 시스템 규모의 역학과 불안정성 발생 시점과 상관관계가 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 분자 모터는 초기에 네마틱 필라멘트 분산에서 극성 정렬과 밴드 형성은 어떻게 유도하는가?
• RQ2 . 활성 필라멘트-모터 시스템에서 극성 도메인의 크기와 안정성은 무엇에 의해 결정되는가?
• RQ3 . 특히 반대 방향 교차결합을 통한 모터 활동이 납작아지기 유형의 불안정성과 결함 형성으로 이어지는가?
• RQ4 . 활성 확산, 도메인 크기, 모터에 의해 유도된 힘 사이의 스케일링 관계는 무엇인가?
• RQ5 . 이러한 시스템에서 결함 역학을 이끄는 데 유체역학적 상호작용이 얼마나 중요한가?

주요 결과

• . 시스템은 처음에는 무질서한 네마틱 상태에서 출발하여 반대 방향 필라멘트에 의한 모터 유도 힘에 의해 활성 극성 네마틱 상태로 진화하며, 극성 밴드가 경화된다.
• . 고도의 활동에서 납작아지기 유형의 불안정성이 나타나 정렬된 밴드를 파괴하고, 지속적인 결함 생성과 소멸을 반복하는 무질서한 동적 도메인으로 이어진다.
• . 활성 확산 계수와 도메인 크기는 모터에 의해 유도된 힘에 따라 보편적으로 스케일링되며, 이는 반대 방향 모터의 수와 그 연장 길이에 따라 달라진다.
• . 반대 방향 모터 비율은 필라멘트의 영구 길이가 감소하고 모터 속도가 증가할수록 증가하여 더 작은 도메인과 더 큰 경계 길이를 유도한다.
• . 극성 도메인의 삼중 접합부에서 토폴로지 결함이 발생하며, 극성의 방향에 따라 두 가지 다른 구성이 구분된다.
• . 결함 역학은 ±1/2 결함 쌍의 확장 운동에 의해 주도되며, 이들은 지속적으로 형성되고 소멸되어 장시간 척도의 활성 확산을 유지한다.