[논문 리뷰] The structure-dynamics feedback mechanism governs the glassy dynamics in epithelial monolayers

Satyam Pandey, Soumitra Kolya외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 12.

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 생물학적 복잡성에도 불구하고, 융합성 상피 단층이 모드 결합 이론(MCT)과 호환되는 거의 이상적인 유리 상태 역학을 나타냄을 보여준다. 평형 버텍스 모델을 시뮬레이션하고 정적 구조 인자(구조 인자)를 MCT의 입력 자료로 사용함으로써, 저자들은 이완 시간, 시간-온도 초월성, 그리고 초-아레니우스 행동에서 놀라운 일치를 관찰하였다. 이로 인해 이러한 시스템은 MCT 검증을 위한 흔치 않은 비이완 불순물 시스템이 되었다.

ABSTRACT

The glassy dynamics in confluent epithelial monolayers is crucial for several biological processes, such as wound healing, embryogenesis, cancer progression, etc. Several experiments have indicated that, unlike particulate systems, the glassy dynamics in these systems correlates with the static properties and shows a readily-found sub-Arrhenius relaxation. However, whether the statics-dynamics correlation is only qualitative or can provide quantitative predictions and what leads to the sub-Arrhenius relaxation remains unclear. We apply a particular analytical theory of glassy dynamics, the mode-coupling theory (MCT) that predicts dynamics using static properties alone as input, to the confluent systems. We demonstrate the remarkable applicability of MCT in simulations of the Vertex model and experiments on Madin-Darby Canine Kidney cells and show the quantitative nature of the structure-dynamics correlation in these systems. Our results elucidate that the structure-dynamics feedback mechanism of MCT, and not the barrier crossing mechanism, dominates the glassy dynamics in these systems where the relaxation time diverges as a power law with a universal exponent of $3/2$. This slower-than-exponential divergence naturally explains the sub-Arrhenius relaxation dynamics in these systems. The quantitative nature of the structure-dynamics correlation also suggests the possibility of describing various complex biological processes, such as cell division and apoptosis, via the static properties of the systems, such as cell shape or shape variability.

연구 동기 및 목표

• 융합성 상피 단층이 특이한 유리 상태 역학을 보임에도 불구하고, 이들이 모드 결합 이론(MCT)으로 기술될 수 있는지 조사하기 위해.
• MCT가 필요로 하는 바와 같이, 정적 구조 인자만으로도 이러한 시스템의 동적 거동을 예측할 수 있는지 확인하기 위해.
• 시뮬레이션에서 관찰된 초-아레니우스 이완이 MCT 예측과 일치하는지 평가하기 위해.
• 고정된 불순물이 없는 조건에서 MCT의 적용 가능성을 평가하고, 이론적 모델링에 적합한 이상적인 조건을 규명하기 위해.

제안 방법

• 고정된 면적 및 둘레 강성 모듈러스를 가진 버텍스 모델을 사용해 평형 상피 단층을 시뮬레이션하였다.
• 수치적으로 반경 분포 함수를 계산하고, 이산 푸리에 변환을 통해 정적 구조 인자를 유도하였다.
• 계산된 구조 인자를 입력으로 사용해 모드 결합 이론(MCT)을 적용하여 동적 상관 함수를 예측하였다.
• 파동수 벡터 격자에 대해 200개의 점과 Δk = 0.2로 이산 리만 합을 사용해 MCT 방정식을 수치적으로 해선했다.
• 직접 시뮬레이션과 MCT 예측의 이완 시간 및 중간 산란 함수를 비교하였다.
• 검증을 위해 파동수 벡터 k와 진폭 a를 조정하여 MCT와 시뮬레이션 간의 이완 시간을 일치시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정적 구조 데이터만을 사용해 모드 결합 이론(MCT)이 융합성 상피 단층의 유리 상태 역학을 정확히 예측할 수 있는가?
• RQ2 시뮬레이션에서 관찰된 초-아레니우스 이완 행동이 MCT 예측과 일치하는가?
• RQ3 이 생물학적 시스템에서 MCT의 비에르고딕 전이가 관측 가능하고 물리적으로 의미 있는가?
• RQ4 기존 이론인 RFOT가 초-아레니우스 영역에서 실패하는 이유는 무엇이며, 이는 역학의 본질에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 융합성 상피 단층은 거의 이상적이고 불순물 없이 MCT 검증에 적합한 시스템으로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 초-아레니우스 영역에서 이완 시간은 일정한 지수와 계수를 가진 거듭제곱 법칙에 따라 증가하며, MCT 예측과 일치한다.
• 중간 산란 함수는 시간-온도 초월성을 보이며, MCT 행동의 상징적인 특징이다.
• MCT는 버텍스 모델 시뮬레이션의 역학을 거의 정확하게 재현하지만, 부적절한 비에르고딕 전이만 제외한다.
• 큰 $p_0$ 영역에서 둘레 목표값 $p_0$ 에 대한 의존성이 없음을 확인하여, 이 시스템의 역학이 이 매개변수에 대해 강건함을 나타낸다.
• 초-아레니우스 이완은 RFOT 이론과 호환되지 않으며, 이는 Kauzmann 온도 $T_K$ 가 음수임을 의미하여 활성화 기반 프레임워크의 실패를 시사한다.
• 융합성 상피 단층은 고정된 불순물 없이 MCT 조건를 충족하는 첫 번째 알려진 거의 이상적인 평형 시스템이다.