[論文レビュー] A multiscale active nematic theory of microtubule/motor-protein assemblies

Tong Gao, Robert N. Blackwell+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2014

Micro and Nano Robotics被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、マイクロチューブル/モーターたんぱく質アセンブリにおける微視的モーターたんぱく質の活動と巨視的流れ・欠陥ダイナミクスを結びつけるマルチスケール理論的枠組みを構築する。極性を有するマイクロチューブル集合のブラウン運動シミュレーションと連続体的Doi-Onsager理論を組み合わせることで、極性整列とクロスリンク緩和がアクティブ応力の主要因であることが特定され、局所的な極性秩序がアクティブネマチック流体における大規模な流体力学的流れおよび欠陥の進化をどのように駆動するかが明らかになった。

ABSTRACT

Microtubules and motor proteins are building blocks of self-organized subcellular biological structures such as the mitotic spindle and the centrosomal microtubule array. These same ingredients can form new bioactive liquid-crystalline fluids that are intrinsically out of equilibrium and which display complex flows and defect dynamics. It is not yet well understood how microscopic activity, which involves polarity-dependent interactions between motor proteins and microtubules, yields such larger scale dynamical structures. In our multiscale theory, Brownian dynamics simulations of polar microtubule ensembles driven by crosslinking motors allow us to study microscopic organization and stresses. Polarity sorting and crosslink relaxation emerge as two polar-specific sources of active destabilizing stress. On larger length scales, our continuum Doi-Onsager theory captures the hydrodynamic flows generated by polarity-dependent active stresses. The results connect local polar structure to flow structures and defect dynamics.

研究の動機と目的

• マイクロチューブル/モーターたんぱく質系における微視的極性依存性モーター活動が、どのように大規模な流体力学的流れを生成するかを理解すること。
• これらのアクティブネマチック流体における非平衡ダイナミクスを駆動するアクティブ応力の微視的起源を特定すること。
• 自己組織化生物アセンブリにおける局所的極性秩序と出現する大規模な流れ・欠陥構造の間のギャップを埋めること。

提案手法

• モーターたんぱく質でクロスリンクされた極性を有するマイクロチューブル集合のブラウン運動シミュレーションにより、微視的組織化および応力生成をモデル化する。
• 極性特異的アクティブ応力の2つの源の同定：極性整列とクロスリンク緩和。
• 極性依存性アクティブ応力からの流体力学的流れを記述するため、連続体的Doi-Onsager理論の適用。
• 微視的シミュレーション結果と連続体的流体力学を結合し、大規模な流れおよび欠陥ダイナミクスを予測する。
• 理論を用いて局所的極性構造と出現する巨視的流れパターンおよび欠陥運動を結びつける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モーターとマイクロチューブルの間の極性依存性相互作用が、どのように微視的スケールでアクティブ応力を生成するか？
• RQ2 極性を有するマイクロチューブル集合におけるアクティブ応力生成の主なメカニズムは何か？
• RQ3 微視的極性構造およびアクティブ応力が、どのように大規模な流体力学的流れおよび欠陥ダイナミクスを生じさせるか？
• RQ4 クロスリンク緩和と極性整列は、ネマチック秩序の不安定化に果たす役割は何か？
• RQ5 マルチスケール理論は、どのようにしてアクティブネマチック系における微視的活動と巨視的流体挙動を一貫して結びつけるか？

主な発見

• 極性整列とクロスリンク緩和が、極性を有するマイクロチューブル集合におけるアクティブ不安定化応力の主な2つの源であると特定された。
• これらのアクティブ応力は、連続体的Doi-Onsager記述で観察可能な大規模な流体力学的流れを駆動する。
• 理論は、局所的極性秩序と複雑な流れ構造および欠陥ダイナミクスの出現を効果的に結びつけることに成功した。
• 欠陥の運動および流れのパターンは、モーター-マイクロチューブル相互作用に起因する異方的アクティブ応力の性質に直接的に影響を受ける。
• モデルは、マイクロチューブル/モーター系におけるアクティブネマチック行動が、極性依存力と流体力学的結合の相乗作用によって生じることを示した。