[논문 리뷰] On the capacitive properties of individual microtubules and their meshworks

Aarat P. Kalra, Sahil Patel외 8명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 08.

Microtubule and mitosis dynamics참고 문헌 57인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 개별 미세소관과 그들의 메시워크가 생리적 용액에서 커펌시티 성분으로 작용하며, 반대 이온의 응집을 통해 전하를 저장함을 보여준다. 전기적 임피던스 분광법을 사용하여 저자들은 한 개의 20 µm 미세소관의 커펌시턴스를 1.86 × 10⁻¹² F, 저항을 1.07 × 10¹² Ω로 측정하였으며, 20–60 Hz 범위에서 전하 이동이 최대가 되어, 저주파 전기 진동과 중합 상태에 따라 조절 가능한 유전체 세 cytoskeleton의 역할을 시사한다.

ABSTRACT

Microtubules are hollow cylindrical polymers composed of the highly negatively-charged (~23e), high dipole moment (1750 D) protein a,b-tubulin. While the roles of microtubules in chromosomal segregation, macromolecular transport and cell migration are relatively well-understood, studies on the electrical properties of microtubules have only recently gained strong interest. Here, we show that while microtubules at physiological concentrations increase solution capacitance, free tubulin has no appreciable effect. For a particular microtubule concentration, we were able to quantify these effects by determining the capacitance and resistance of a single 20 um-long microtubule to be 1.86 x 10^(-12) F and 1.07 x 10^12 Ohms respectively. Further, we observed a decrease in electrical resistance of solution, with charge transport peaking between 20-60 Hz in the presence of microtubules, consistent with recent findings that microtubules exhibit electric oscillations at such low frequencies. Our results show that in addition to macromolecular transport, microtubules also act as charge-storage devices through counterionic condensation across a broad frequency spectrum. We conclude with a hypothesis of an electrically-tunable cytoskeleton where the dielectric properties of tubulin are polymerization-state dependent.

연구 동기 및 목표

• 개별 미세소관과 그들의 메시워크의 전기적 커펌시턴스와 저항을 생리적 조건에서 조사하는 것.
• 미세소관이 자유 투부린과 비교하여 용액의 커펌시턴스와 전기 저항에 다른 영향을 미치는지 확인하는 것.
• 특히 저주파 범위(20–60 Hz)에서 미세소관의 주파수 의존적 전기적 반응을 탐구하는 것.
• 반대 이온 응집을 통한 전하 저장 장치로서의 미세소관의 역할를 평가하는 것.
• 튜불린의 중합 상태에 따라 변하는 유전율 특성을 기반으로 전기적으로 조절 가능한 세 cytoskeleton의 가설을 제안하는 것.

제안 방법

• 전기적 임피던스 분광법을 사용하여 생리적 버퍼 용액 내 미세소관의 커펌시턴스와 저항을 측정하였다.
• 개별 미세소관은 전극을 갖춘 특수 제작된 마이크로플루이딕 장치를 사용하여 영상 촬영하고 전기적으로 측정하였다.
• 임피던스 분 析를 통해 한 개의 20 µm 길이의 미세소관에 대한 커펌시턴스와 저항을 정량화하였다.
• 진동 행동을 탐지하기 위해 1–100 Hz 범위에서 주파수 의존적 전기적 반응을 측정하였다.
• 미세소관 특유의 영향을 분리하기 위해 자유 투부린을 사용한 제어 실험을 실시하였다.
• 높은 음전하 밀도를 가진 투부린을 바탕으로 반대 이온 응집을 전하 저장의 메커니즘으로 모델링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 미세소관은 자유 투부린과 비교하여 용액의 커펌시턴스를 유의미하게 증가시키는가?
• RQ2 생리적 조건에서 한 개의 20 µm 길이의 미세소관의 전기적 저항과 커펌시턴스는 얼마인가?
• RQ3 미세소관의 존재가 20–60 Hz 범위에서 주로 선택적으로 전하 이동을 유도하는가?
• RQ4 미세소관의 전기적 행동은 매우 높은 음전하 표면 주위의 반대 이온 응집에 기인하는가?
• RQ5 튜불린의 중합 상태에 따라 그 유전율 특성을 조절할 수 있으며, 이는 전기적으로 조절 가능한 세 cytoskeleton를 가능하게 하는가?

주요 결과

• 20 µm 길이의 한 개의 미세소관은 생리적 용액에서 커펌시턴스 1.86 × 10⁻¹² F, 저항 1.07 × 10¹² Ω를 나타낸다.
• 미세소관은 용액의 커펌시턴스를 증가시키지만, 자유 투부린은 커펌시턴스나 저항에 유의미한 영향을 미치지 않는다.
• 미세소관을 포함한 용액의 전하 이동은 20–60 Hz 범위에서 최대가 되며, 저주파 전기 진동과 일치한다.
• 전기적 반응은 매우 음전하를 띤 미세소관 표면에서의 반대 이온 응집에 기인한다.
• 결과는 중합 상태에 따라 변하는 유전율 특성을 가진, 조절 가능한 전기적 특성을 지닌 세 cytoskeleton의 가설을 지지한다.
• 미세소관은 전기적 환경 덕분에 넓은 주파수 스펙트럼에서 효과적인 전하 저장 장치로 기능한다.