[논문 리뷰] Measuring structural parameters of crosslinked and entangled semiflexible polymer networks with single-filament tracing

Tina Händler, Cary Tutmarc외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 23.

Force Microscopy Techniques and Applications참고 문헌 43인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 교차결합 및 엉킨 반탄성 고분자 네트워크에서 구조적 매개변수—관통 너비와 메쉬 크기—를 측정하기 위해 조절 가능한 트레이서로 기계적으로 프로그래밍 가능한 DNA 나노튜브를 도입한다. DNA 트레이서의 영속 길이를 변화시켜, 단지 기하적 차폐 상호작용에 기반한 표준 튜브 모델이 트레이서의 강성 의존성을 예측하지 못함을 입증하며, 정확한 네트워크 특성 분석을 위해 상호작용을 포함해야 한다고 밝힌다. F-actin과 합성 DNA 네트워크에서 이와 같은 요구가 필요하다.

ABSTRACT

Single-filament tracing has been a valuable tool to directly determine geometrical and mechanical properties of entangled polymer networks. However, systematically verifying how the stiffness of the tracer filament or its molecular interactions with the surrounding network impacts the measurement of these parameters has not been possible with the established experimental systems. Here, we use mechanically programmable DNA nanotubes embedded in crosslinked and entangled F-actin networks, as well as in synthetic DNA networks, in order to measure fundamental, structural network properties like tube width and mesh size with respect to the stiffness of the tracers. While we confirm some predictions derived from models based purely on steric interactions, our results indicate that these models should be expanded to account for additional inter-filament interactions, thus describing the behavior of real polymer networks.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 반탄성 고분자 네트워크에서 관통 너비와 메쉬 크기와 같은 구조적 매개변수를 직접 측정할 수 있는 방법을 개발하는 것.
• 트레이서 필라멘트의 강성이 엉킨 및 교차결합 네트워크에서 튜브 모델 예측의 정확성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 기하적 상호작용에만 기반한 기존 이론적 모델이 실제 고분자 네트워크 거동을 정량적으로 기술할 수 있는지 여부를 규명하는 것.
• 트레이서의 영속 길이와 네트워크 유형에 대한 의존성을 탐색함으로써 반탄성 고분자에 대한 튜브 모델을 검증하고 확장하는 것.
• 세포 골격과 같은 생물학적으로 관련된 네트워크의 구조를 단일 필라멘트 추적을 통해 정량적 프레임워크로 제공하는 것.

제안 방법

• F-actin과 합성 DNA 네트워크에서 비특이적이고 비결합적인 트레이서로 기계적으로 프로그래밍 가능한 DNA 나노튜브(nHTs)를 사용함.
• 단일 필라멘트 추적을 통해 형광 현미경을 활용해 nHTs의 확산과 국한을 추적함.
• 측정된 관통 너비(a)에서 메쉬 크기(ξ)를 추출하기 위해 튜브 모델을 적용하며, 식: a ≈ 0.31ξ^(6/5)l_p^(1/5) + 0.59ξ²/L 를 사용함.
• 스케일링 법칙과 유한 길이 보정을 탐색하기 위해 nHT의 곡선 길이(L)와 영속 길이(l_p)를 체계적으로 변화시킴.
• 두께 있는 샘플에서 형광 표지된 nHTs의 정확한 3D 추적을 위해 공진원 현미경을 사용하고 깊이 보정을 적용함.
• 실험적 관통 너비와 이론적 예측을 비교하여 모델의 타당성을 평가하고, 추가 상호작용 항목이 필요한 불일치를 규명함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 트레이서 필라멘트의 강성이 엉킨 및 교차결합 반탄성 고분자 네트워크에서 측정된 관통 너비에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 기하적 상호작용에만 기반한 튜브 모델이 실제 고분자 네트워크에서 트레이서 확산으로부터 메쉬 크기를 얼마나 정확하게 예측하는가?
• RQ3 트레이서 필라멘트의 유한 길이가 관통 너비 측정에 상당한 영향을 미치는가? 그리고 이를 어떻게 보정할 수 있는가?
• RQ4 비결합 DNA 나노튜브를 트레이서로 사용할 때 튜브 모델을 교차결합 F-actin 네트워크에 신뢰성 있게 적용할 수 있는가?
• RQ5 기하적 저항을 초월한 상호작용, 예를 들어 일시적 결합이나 유체역학적 결합 등이 트레이서 필라멘트의 효과적 국한에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• F-actin과 DNA 네트워크에서 DNA 나노튜브 트레이서의 관통 너비는 튜브 모델이 예측한 바와 같이 메쉬 크기와 트레이서의 영속 길이에 따라 스케일링되며, 스케일링 a ∝ ξ^(6/5)l_p^(1/5) 가 확인됨.
• 실험 데이터는 관통 너비가 트레이서 곡선 길이에 대해 역비례함을 예측하지 못함을 보여주며, 이는 현재 모델이 유한 길이 효과를 충분히 반영하지 못하고 있음을 시사함.
• 튜브 모델 식의 유한 길이 보정 항목(0.59ξ²/L)은 관측된 데이터를 설명하기에 부족하며, 특히 짧은 트레이서에서는 추가적인 물리적 효과가 작용하고 있음을 시사함.
• 전체 튜브 모델 식을 사용해 관통 너비에서 유도된 메쉬 크기 측정치는 다양한 트레이서 길이와 네트워크 유형에서 일관되며, 이 방법의 신뢰성을 검증함.
• 기하적 상호작용에만 기반한 모델이 강성 의존성을 예측하지 못함은 상호작용 항목, 예를 들어 일시적 결합 또는 유체역학적 결합 등이 이론적 프레임워크에 포함되어야 함을 시사함.
• 비결합 DNA 나노튜브의 사용은 교차결합 시스템에서 네트워크 구조를 직접적으로 분리 측정할 수 있게 하며, 세포 골격 및 합성 생고분자 네트워크를 연구하는 데 새로운 도구를 제공함.