[논문 리뷰] Self-organization of stress patterns drives state transitions in actin cortices

Tzer Han Tan, Maya Malik Garbi외 7명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 24.

Cell Image Analysis Techniques인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 모이오신 모터에 의해 유도되는 자가조직화된 스트레인 패턴이 액틴 코르티스에서 상태 전이를 유도하며, 네트워크 연결성과 능동 스트레인 간의 상호작용으로 인해 고유한 안정 상태가 발생함을 밝혀냈다. 유리한 단일벽 희토산 나노튜브를 사용하여 연구자들은 스트레인 변동이 강화된 임계 상태를 규명하였으며, 이는 제2종 상전이와 유사한 특성을 보였다. 이는 비평형 역학이 생물학적 세라미드 골격계에서 집단적 질서를 어떻게 지배하는지를 보여준다.

ABSTRACT

Biological functions rely on ordered structures and intricately controlled collective dynamics. In contrast to systems in thermodynamic equilibrium, order is typically established and sustained in stationary states by continuous dissipation of energy. Non-equilibrium dynamics is a necessary condition to make the systems highly susceptible to signals that cause transitions between different states. How cellular processes self-organize under this general principle is not fully understood. Here, we find that model actomyosin cortices, in the presence of rapid turnover, display distinct steady states, each distinguished by characteristic order and dynamics as a function of network connectivity. The different states arise from a subtle interaction between mechanical percolation of the actin network and myosin-generated stresses. Remarkably, myosin motors generate actin architectures, which in turn, force the emergence of ordered stress patterns. Reminiscent of second order phase transitions, the emergence of order is accompanied by a critical regime characterized by strongly enhanced strain fluctuations. The striking dynamics in the critical regime were revealed using fluorescent single-walled carbon nanotubes as novel probes of cortical dynamics.

연구 동기 및 목표

• 비평형 역학이 액틴omyosin 코르티스에서 질서 상태가 어떻게 나타나는지 이해하기 위해.
• 기계적 퍼콜레이션과 모이오신에 의해 생성된 스트레스의 역할이 코르티컬 상태 전이를 어떻게 결정하는지 조사하기 위해.
• 제2종 상전이와 유사한 임계 현상이 활성 생물 네트워크에서 나타나는지 탐색하기 위해.
• 생활 유사 조건에서 높은 해상도로 코르티컬 역학을 관찰하기 위해 새로운 프로브를 개발하고 적용하기 위해.
• 활동성 세라미드 골격계에서 네트워크 연결성, 스트레스 패턴, 집단적 행동 간의 관계를 특성화하기 위해.

제안 방법

• 세포 내 조건을 모방하기 위해 빠른 액틴 재구성과 함께 재구성된 액틴omyosin 코르티스를 사용하였다.
• 현미경적 국소 변형과 스트레스 역학을 맵핑하기 위해 고감도 프로브로써 형광성 단일벽 희토산 나노튜브를 사용하였다.
• 다양한 네트워크 연결성과 모이오신 활동을 조절하여 고유한 안정 상태 간의 전이를 탐색하였다.
• 통계역학 프레임워크를 사용하여 변형 변동성과 스트레스 패턴을 분석하여 임계 행동을 탐지하였다.
• 비평형 통계역학의 개념을 적용하여 나타나는 질서와 상 유사 전이를 해석하였다.
• 실험적 관찰과 이론적 모델링을 융합하여 기계적 퍼콜레이션과 능동 스트레스 생성 간의 관계를 연결하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모이오신에 의해 생성된 스트레스와 액틴 네트워크의 연결성이 함께 어떻게 액틴 코르티스에서 고유한 안정 상태의 출현을 결정하는가?
• RQ2 이러한 상태 간의 전이가 변동성의 발산과 같은 임계 현상의 특성을 보이는가?
• RQ3 새로운 나노스케일 센서를 사용하여 임계 상태에서의 역학을 고공간·시간 해상도로 탐지할 수 있는가?
• RQ4 스트레스 패턴의 자가조직화가 활성 세라미드 골격 네트워크에서 질서 있는 구조 형성에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 특히 임계점 근처에서, 시스템의 신호에 대한 반응은 각 상태에서 어떻게 다를까?

주요 결과

• 액틴omyosin 코르티스에서 고유한 안정 상태가 네트워크 연결성과 모이오신 활동에 따라 나타나며, 각각 고유한 구조적 및 동적 특성을 지닌다.
• 스트레인 변동이 강하게 증폭되는 임계 상태가 규명되었으며, 이는 제2종 상전이와 유사한 전이 신호를 나타낸다.
• 형광성 단일벽 희토산 나노튜브를 통해 기존에 발견되지 않았던 임계 상태의 역학이 드러났으며, 이는 코르티컬 스트레스 패턴의 고해상도 맵핑을 가능하게 하였다.
• 모이오신 모터는 스트레스 패턴을 생성하며, 이 스트레스 패턴이 액틴 구조를 형성하는 데 영향을 미쳐 자가조직화를 이끄는 피드백 루프를 형성한다.
• 기계적 퍼콜레이션과 능동 스트레스 생성 간의 상호작용이 시스템의 질서 상태 간 전이 능력을 결정한다.
• 임계 상태에서 비평형 질서가 장거리 상관관계를 보이며, 집단적이고 신호 반응성이 높은 상태임을 나타낸다.