[논문 리뷰] Microtubule-based active fluids with improved lifetime, temporal stability and miscibility with passive soft materials

Pooja Chandrakar, John P. Berezney외 9명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 12.

Micro and Nano Robotics인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 키네신 모터를 미세소관 뱃줄기와 결합하고 비진행성 모터를 사용하여 향상된 미세소관 기반의 활성 유체를 개발하여 수일 간의 수명과 향상된 시간적 안정성을 달성하였다. 탈수제를 특정 교차결합제로 대체함으로써, 이 시스템은 폴리머 젤과 액정과 같은 수동 소프트 물질과의 혼화성을 확보하게 되었으며, 이는 고도로 발전된 생물물리학적 연구를 위한 하이브리드 활성 물질 시스템에의 통합을 가능하게 하였다.

ABSTRACT

We have developed several distinct model systems of microtubule-based 3D active isotropic fluids and have compared their dynamical and structural properties. The non-equilibrium dynamics of these fluids is powered by three different types of kinesin motors: a processive motor, a non-processive motor, and a motor which is permanently linked to a microtubule backbone. The fourth modification uses specific microtubule crosslinkers to induce bundle formation instead of a non-specific depletant. In comparison to the formerly developed systems, each new active fluid formulation has certain enhanced properties. Firstly, linking motors to the microtubule backbone enhances the fluid lifetime from hours to several days. Furthermore, switching to the non-processive motors significantly increases the temporal stability of the active dynamics, while using specific cross-linkers yields systems that can incorporate other passive soft materials, such as, polymer gels or liquid crystals. These novel developed model systems will significantly aid and improve our ability to quantify diverse phenomena observed in microtubule based active matter.

연구 동기 및 목표

• 이전 시스템을 뛰어넘어 상당히 연장된 수명을 가진 미세소관 기반의 활성 유체를 개발하기 위해.
• 신뢰할 수 있는 장기 실험을 위해 3차원 등방성 유체에서 활성 동역학의 시간적 안정성을 향상시키기 위해.
• 폴리머 젤과 액정과 같은 수동 소프트 물질과의 혼화성을 확보하여 하이브리드 활성 물질 시스템을 가능하게 하기 위해.
• 다양한 키네신 모터 유형(진행성, 비진행성, 미세소관에 고정된 모터)으로 구동되는 활성 유체의 동적 및 구조적 성질를 비교하기 위해.
• 복잡한 생물학적으로 관련성이 있는 환경에서 활성 물질 현상을 정량적으로 연구할 수 있는 모델 시스템을 구축하기 위해.

제안 방법

• 미세소관 관련 단백질에 유전자적으로 융합시켜 키네신 모터를 미세소관 뱃줄기에 영구적으로 고정시켜 설계한 모터를 사용하였다.
• 비특이적 탈수제를 특정 미세소관 교차결합제로 대체하여 비특이적 응집 대신 제어된 번들링을 유도하였다.
• 세 가지 다른 유형의 키네신 모터를 사용하였다: 진행성 모터, 비진행성 모터, 그리고 미세소관에 영구적으로 결합된 모터.
• 제어된 미세소관 농도와 모터 농도를 가진 3차원 등방성 활성 유체를 부피 용액에서 제형화하였다.
• 시간 경과 영상 촬영을 통해 유체 역학을 특성화하고, 운동 패턴, 수명, 구조적 진화를 분석하였다.
• 폴리머 젤과 액정과의 공형성 테스트를 통해 수동 소프트 물질과의 호환성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 키네신 모터를 직접적으로 미세소관 뱃줄기에 고정시키는 것이 활성 유체 수명에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 비진행성 모터를 사용하는 것이 활성 유체 동역학의 시간적 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 특정 미세소관 교차결합제를 탈수제 대체로 사용할 수 있는가? 이는 수동 소프트 물질과의 혼화성을 가능하게 하는가?
• RQ4 다른 모터 유형이 3차원 활성 등방성 유체의 구조적 및 동적 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 미세소관 기반의 활성 유체가 젤과 액정과 같은 수동 소프트 물질을 포함한 하이브리드 시스템에 얼마나 잘 통합될 수 있는가?

주요 결과

• 키네신 모터를 미세소관 뱃줄기에 결합시킴으로써 유체 수명이 수 시간에서 수일 간으로 연장되어 시스템 수명이 크게 향상되었다.
• 비진행성 모터로 전환함으로써 활성 동역학의 시간적 안정성이 향상되어 변동성이 감소하고 재현성이 향상되었다.
• 탈수제 대신 특정 미세소관 교차결합제를 사용함으로써, 폴리머 젤과 액정과 같은 수동 소프트 물질과의 안정적이고 혼화 가능한 혼합물 형성이 가능해졌다.
• 새로운 제형은 지속적인 활성 운동이 장기간에 걸쳐 유지되는 동안 등방성 3차원 유체 행동을 유지하였다.
• 이 시스템은 다양한 수동 소프트 물질과의 호환성을 보였으며, 하이브리드 활성 물질 구조물의 제작이 가능하게 하였다.
• 향상된 이 모델 시스템들은 생물학적으로 관련성이 있는 복잡한 환경에서 활성 물질 현상을 정량적으로 연구할 수 있는 견고한 플랫폼을 제공한다.