[논문 리뷰] Physics of Solutions and Networks of Semiflexible Macromolecules and the Control of Cell Function

Erwin Frey, Klaus Kroy외 1명|arXiv (Cornell University)|1998. 08. 03.

Cellular Mechanics and Interactions참고 문헌 6인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 세포 내 환경에서 반탄성 생고분자—예를 들어 액틴 필라멘트와 미세소관—의 물리학을 조사하며, 이들의 기계적 및 동적 성질이 탄성과 열운동의 균형에서 비롯됨을 강조한다. 통계역학과 시뮬레이션을 사용하여 저자들은 세정망이 세포 형태 유지와 이동성에 핵심적인 고유한 기계적 반응을 보임을 보여주며, 잠재적인 생물학적 功能을 갖춘 새로운 소프트 물질 시스템의 새로운 클래스를 밝혀낸다.

ABSTRACT

Living cells are soft bodies of a characteristic form, but endowed with a capacity for a steady turnover of their structures. Both of these material properties, i.e. recovery of the shape after an external stress has been imposed and dynamic structural reorganization, are essential for many cellular phenomena. Examples are mechanical properties of tissue, cell motility, cell growth and division, and active intracellular transport. Numerous experiments in vivo and in vitro have shown that the structural element responsible for the extraordinary mechanical and dynamical properties of eukaryotic cells is the cytoskeleton, a three-dimensional assembly of protein fibers such as actin filaments and microtubules. In addition to those biopolymers various proteins with structural and regulatory functions have a major influence on the mechanical properties. At the relevant length-scales (a few microns at most) the building blocks of these biomaterials are very different from conventional polymeric material. In contrast to flexible polymers the persistence length is of the same order of magnitude as their total contour length or even larger. This implies that the physics of such a system is determined by a subtle interplay between energetic and entropic contributions. We review our present understanding of the physics of biopolymers using concepts from macromolecular and statistical physics complemented by computer simulation. These systems open up a new field of soft condensed matter research, which to date is only poorly understood but has a great potential for interesting new physical phenomena.

연구 동기 및 목표

• 유사세포 내 반탄성 생고분자의 기계적 및 동적 거동을 이해하기 위해, 특히 세포 형태와 이동성과의 관련성을 고려한다.
• 탄성과 열운동의 상호작용이 세포 골격 네트워크의 물리적 성질을 어떻게 규정하는지 밝히기 위해.
• 소프트 응집물질 물리학의 개념을 살아있는 세포의 실험 관찰과 연결하기 위해.
• 구조 단백질과 조절 인자가 세포 골격 네트워크의 기계적 반응을 어떻게 조절하는지 탐구하기 위해.
• 생물학적 시스템 내에서 활성이고 동적인 생물재료를 연구하기 위한 이론적 및 계산적 프레임워크를 수립하기 위해.

제안 방법

• 탄성 길이가 그 둘레 길이와 유사한 반탄성 고분자를 모델링하기 위해 통계역학을 적용한다.
• 탄성 및 엔트로피 기여를 고려한 고분자 구조를 기술하기 위해 웜-와이어드 체인(WLC) 모델을 사용한다.
• 단일 필라멘트 기계학 분석에 열운동과 굽힘 강성성을 통합한다.
• 교차결합된 반탄성 필라멘트의 집합적 기계적 반응을 시뮬레이션하기 위한 네트워크 모델을 개발한다.
• 밀도 높은 세포 골격 네트워크의 잠재적 기계적 성질을 탐구하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 통합한다.
• 외부 응력 하에서 네트워크 수준의 거동를 기술하기 위해 연속체 기계학 이론과 척도 분석을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 액틴 필라멘트와 같은 반탄성 생고분자가 세포 골격의 기계적 안정성과 동적 재구성에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 열운동과 굽힘 강성이 개별 필라멘트의 기계적 반응을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 교차결합 단백질과 네트워크 구조는 세포 골격 네트워크의 점탄성 성질에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 반탄성 고분자의 물리적 성질이 이동성과 분열과 같은 세포 기능을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ5 유연한 고분자에서는 관찰되지 않는, 밀도 높고 활성적인 반탄성 필라멘트 네트워크에서 나타나는 잠재적 물리적 현상은 무엇인가?

주요 결과

• 굽힘 탄성과 열운동 간의 경쟁으로 인해 반탄성 생고분자는 비정규분포의 진동과 장거리 상관관계를 보이며 고유한 기계적 반응을 나타낸다.
• 고정 길이가 둘레 길이와 유사하거나 그 이상일 경우, 탄성과 유연성의 균형을 이루며 탄성 고분자와는 다릅니다.
• 세포 골격 네트워크는 반탄성 필라멘트의 기하학적 제약과 교차결합으로 인해 비선형 탄성 반응과 변형에 대한 저항력이 향상된다.
• 열운동은 특히 세포 내 구조에서 중요한 마이크론 크기의 길이에서 개별 필라멘트의 기계적 안정성에 크게 영향을 미친다.
• 이론적 모델링과 시뮬레이션은 네트워크 기계학이 필라멘트의 강성, 교차결합 농도, 열 노이즈 간의 미세한 균형에 의해 지배됨을 드러낸다.
• 본 연구는 활성이고 반탄성 생고분자 네트워크로 구성된 새로운 소프트 물질 시스템의 클래스를 규명하였으며, 여기서 잠재적 물리적 현상이 필수적인 세포 기능을 뒷받침한다.