[논문 리뷰] Probing active forces via a fluctuation-dissipation relation

Pierre Bohec, François Gallet외 4명|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 15.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 장기 기억을 갖는 비평형 시스템에 대한 새로운 변동-소산 관계를 유도하여, 살아있는 세포 내에서 이전에는 접근할 수 없었던 활성 힘에 관한 정보를 추출할 수 있게 한다. 세포 환경 속의 실리카 비드를 분석함으로써 열적이고 활성 변동 사이의 교차 시간을 규명하였으며, 이는 탐측자가 결국 활성 힘의 랜덤 드라이브를 따라 움직이게 됨을 보여준다.

ABSTRACT

We derive a new fluctuation-dissipation relation for non-equilibrium systems with long term memory. We show how this relation allows one to access new experimental information regarding active forces in living cells that cannot otherwise be accessed. For a silica bead attached to the wall of a living cell, we identify a cross-over time between thermally controlled fluctuations and those produced by the active forces. We show that the probe position is eventually slaved to the underlying random drive produced by the so-called active forces.

연구 동기 및 목표

• 장기 기억을 갖는 비평형 시스템에 적용 가능한 변동-소산 관계를 개발하기 위해.
• 살아있는 세포 내 활성 힘에 관한 실험적으로 접근할 수 없는 정보를 추출하기 위해.
• 열적 변동과 활성 힘에 의해 유도된 변동을 분리하는 데 사용되는 교차 시간 스케일을 규명하기 위해.
• 시간이 지남에 따라 탐측자의 운동이 결국 기저의 활성 힘 드라이브에 따라 움직이게 된다는 것을 보여주기 위해.

제안 방법

• 비평형 시스템의 장기 기억을 고려한 일반화된 변동-소산 관계를 유도하기 위해.
• 유도된 관계를 살아있는 세포의 세포질에 매립된 실리카 비드에 적용하기 위해.
• 비드의 위치 동역학을 분석하여 열적 힘과 활성 힘 기여도를 구분하기 위해.
• 활성 힘이 열적 변동을 압도하기 시작하는 교차 시간을 규명하기 위해.
• 탐측자의 반응을 통해 활성 힘 드라이브의 통계적 성질을 추론하기 위해.
• 탐측자의 운동이 결국 활성 힘 과정의 시간적 변화를 따라하게 된다는 것을 확립하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장기 기억을 갖는 비평형 시스템에 대해 변동-소산 관계를 어떻게 확장할 수 있는가?
• RQ2 열 노이즈가 지배적인 상황에서 살아있는 세포 내 활성 힘의 존재를 드러내는 실험적 징후는 무엇인가?
• RQ3 시스템이 열적 힘 제어에서 활성 힘 제어로 전이되는 시간 스케일은 어느 정도인가?
• RQ4 탐측 입자를 사용하여 기저의 활성 힘 드라이브의 통계적 성격을 추론할 수 있는가?
• RQ5 탐측자의 운동이 활성 힘 과정에 얼마나 깊이 종속되는가?

주요 결과

• 장기 기억을 갖는 비평형 시스템에 적용 가능한 새로운 변동-소산 관계가 유도되었다.
• 이 관계는 기존 분석 방법으로는 접근할 수 없었던 살아있는 세포 내 활성 힘에 관한 정보를 추출할 수 있게 한다.
• 탐측자의 역학이 열적 변동에 의해 지배되던 것이 활성 힘에 의해 주도되는 것으로 변화하는 교차 시간이 규명되었다.
• 탐측자의 위치가 결국 활성 힘 드라이브의 시간적 변동을 따라 움직임을 보이며, 기저의 활성 과정에 종속됨을 보여주었다.
• 이 방법은 세포 환경 내에서 활성 힘의 통계적 성질을 실험적으로 정량화할 수 있는 길을 열어준다.
• 연구 결과는 살아있는 세포 내 활성 힘을 수동 추적 입자에 의한 반응을 통해 간접적으로 탐측할 수 있음을 보여준다.