[논문 리뷰] Uncovering the dynamic precursors to motor-driven contraction of active gels

José Alvarado, Luca Cipelletti외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 16.

Cellular Mechanics and Interactions참고 문헌 96인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 재구성된 액틴-미오신 젤에서 매크로스코픽 수축 이전에 나타나는 두 가지 동적 예비 현상을 규명한다: 시간이 지남에 따라 가속화되는 스트레스 유도 재배열과 경계 부착에 의존하는 갑작스럽고 비균일한 재배열이다. 실공간 영상 현미경과 푸리에 공간 동적 빛산산측정을 병행하여 분석한 결과, 이러한 미세구조적 동역학이 수축 전에 나타나며, 수축이 일어나기 전의 늦어지는 파손 현상과 유사함을 확인하였으며, 이는 세포 골격 수축의 기계적 기원에 대한 새로운 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

Cells and tissues have the remarkable ability to actively generate the forces required to change their shape. This active mechanical behavior is largely mediated by the actin cytoskeleton, a crosslinked network of actin filaments that is contracted by myosin motors. Experiments and active gel theories have established that the length scale over which gel contraction occurs is governed by a balance between molecular motor activity and crosslink density. By contrast, the dynamics that govern the contractile activity of the cytoskeleton remain poorly understood. Here we investigate the microscopic dynamics of reconstituted actin-myosin networks using simultaneous real-space video microscopy and Fourier-space dynamic light scattering. Light scattering reveals rich and unanticipated microscopic dynamics that evolve with sample age. We uncover two dynamical precursors that precede macroscopic gel contraction. One is characterized by a progressive acceleration of stress-induced rearrangements, while the other consists of sudden rearrangements that depend on network adhesion to the boundaries and are highly heterogeneous. Our findings reveal an intriguing analogy between self-driven rupture and collapse of active gels to the delayed rupture of passive gels under external loads.

연구 동기 및 목표

• 분자 모터에 의해 구동되는 활성 젤에서 매크로스코픽 수축 이전에 일어나는 미세구조적 동역학을 이해하는 것.
• 재구성된 액틴-미오신 네트워크에서 모터 기반 수축의 시작을 규정하는 동적 예비 현상을 규명하는 것.
• 네트워크 연령, 교차결합 밀도 및 경계 부착이 수축 불안정성의 발생에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 외부 하중에 노출된 수동 젤의 지연 파손과 활성 젤 수축 간의 유사성을 탐색하는 것.
• 세포 골격 네트워크에서 분자 모터 활동과 기대되는 매크로스코픽 기계적 거동 간의 격차를 메우는 것.

제안 방법

• 젤 내 입자 운동과 구조 재편성을 추적하기 위한 동시 실공간 영상 현미경.
• 집단적이고 스케일에 걸친 동역학 및 비균일성을 탐색하기 위한 푸리에 공간 동적 빛산산측정.
• 시간에 따른 동적 거동의 변화를 관찰하기 위해 샘플 연령를 체계적으로 변화시킴.
• 노화된 네트워크에서 스트레스 유도 재배열의 시간적 가속화 분석.
• 통제된 부착 조건을 이용해 경계 부착에 의존하는 갑작스러운 재배열 조사.
• 외부 하중에 노출된 수동 젤의 파손 거동과 활성 젤의 동역학을 비교함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 활성 젤에서 매크로스코픽 수축 이전에 일어나는 미세구조적 동역학 과정은 무엇인가?
• RQ2 네트워크 연령이 수축 예비 현상의 발생에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 경계 부착과 비균일성은 네트워크 내 갑작스러운 재배열에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 활성 젤 수축의 동역학을 수동 젤의 지연 파손과 유사시킬 수 있는가?
• RQ5 모터 기반 젤에서 스트레스 유도 재배열은 시간이 지남에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 두 가지 다른 동적 예비 현상이 확인되었다: 스트레스 유도 재배열의 점진적 가속화와 네트워크 부착에 의존하는 갑작스럽고 비균일한 재배열.
• 스트레스 유도 재배열의 가속화는 샘플 연령이 증가할수록 증가하여 수축 이전에 내부 스트레스가 축적됨을 시사한다.
• 갑작스러운 재배열은 매우 비균일한 방식으로 발생하며 네트워크의 경계 부착에 크게 영향을 받는다.
• 관찰된 동역학은 외부 하중에 노출된 수동 젤의 지연 파손과 뚜렷한 유사성을 보이며, 공통된 기계적 기원을 시사한다.
• 이러한 발견은 매크로스코픽 수축이 균일하지 않은 비균일한 동역학에 의해 이뤄지며, 이는 일률 점탄성 측정만으로는 포착되지 않는다는 것을 드러낸다.
• 실공간 영상과 푸리에 공간 빛산산측정의 조합은 활성 젤 내 공간적 및 동적 비균일성을 해결하는 데 기여한다.