[논문 리뷰] Contraction of a Bundle of Actin Filaments: 50 years after Szent-Gyorgyi

Ken Sekimoto, Hatsumi Nakazawa|ArXiv.org|2000. 04. 19.

Stochastic processes and statistical mechanics참고 문헌 1인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 이중두(myosin) 모터에 의해 구동되는 액틴 필라멘트 번들 수축의 역학적 모델을 제안하며, 반대 방향으로 배열된 필라멘트의 확률적 이동이 무작위 初기 구성을 가진 상태에서도 순수단축을 유도함을 보여준다. 수치 시뮬레이션은 번들의 단축, 극성에 따른 액틴 집합, 그리고 극성 날개 형성과 같은 핵심 실험적 특성을 재현하며, 근육 생물물리학에서 50년간 미해결이었던 수수께끼를 해결한다.

ABSTRACT

Biological systems are among the most challenging subjects for theoretical physicists, as well as experimentalists or simulationists. Physical principles should have been both constraints and guide-lines for the evolution of living systems over billions of years. One generally aims at clarifying what physical principles, possibly new ones, are behind the phenomena of biological interest and at understanding how they work within the entire biological world. In the present talk we describe an example of such an effort. Since the discovery of `superprecipitation' by Szent-Gyorgyi's group in 1940's, it has been a long puzzle how an assemblage of actin filaments with random orientation can contract in the presence of the two-headed myosin molecules undergoing actin-activated ATP-hydrolysis reaction. It is widely accepted that during the contraction the two-headed myosin mediates the relative sliding of two actin filaments whose polarity directions are not parallel but rather anti-parallel. But this fact solely does not account for the shortening. We propose a dynamical model which, upon numerical simulation, exhibits the shortening of an bundle of the actin filaments which are initially dirstributed randomly both in space along a line and in polarity direction. In the course of shortening several clusters of actins appears along the bundle. The model also shows the sorting of the actin filaments according to their polarity in the late stage. These findings are in accordance with the recent experiment by Takiguchi.

연구 동기 및 목표

• Szent-Gyorgyi가 '초과침전'을 발견한 지 50년이 지난 후에도, 무작위로 배열된 액틴 필라멘트가 myosin과 ATP가 존재하는 조건에서 어떻게 수축하는지에 대한 오랜 수수께끼를 해결하기 위해.
• 특히 확률적 모터 활동에서 질서가 어떻게 나타나는지에 대한 물리적 원리를 이해하기 위해.
• 무작위 공간적 및 극성 분포를 가진 반대 방향 필라멘트 번들에서 이중두 myosin 모터가 순수단축을 어떻게 유도하는지 메커니즘을 모델링하기 위해.
• 실험적으로 관측된 현상들—번들의 단축, 극성에 따른 액틴 집합, 극성 날개 형성—을 통합된 물리적 프레임워크 내에서 설명하기 위해.

제안 방법

• 각 극성 방향(오른쪽: σ=+, 왼쪽: σ=−)의 필라멘트 밀도 변화를 추적하는 평균장 유체역학 모델을 개발한다.
• 각 극성 종류에 대해 연속 방정식을 유도한다: ∂ρσ/∂t = −∂/∂x [v̄(x)ρσ], 여기서 v̄(x)는 번들의 평균 이동 속도이다.
• 이동 속도를 v̄(x) = κ₀[−(2b²/ℓ)x + (bℓ/3)log(ρ₊/ρ₋)]로 모델링하여 공간 비균일성과 극성에 의존하는 모터 작용을 포함한다.
• 매개변수 표현을 통해 진화 방정식을 해석적으로 풀어, ρσ(x̂(X,t),t) = ρσ(X,0)[∂x̂/∂X]⁻¹의 형태를 얻는다.
• 모터 활동의 공간 변화를 간소화하기 위해, 공간에 무관한 일정한 모터 주파수 κ₀ = κ₀를 가정하여 핵심 역학적 특성을 유지하면서 해석적 처리를 가능하게 한다.
• 수치 시뮬레이션을 수행하여 분석적 해를 검증하고, 다양한 초기 밀도 프로파일 하에서 집합 및 단축 동역학을 시연한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무작위로 배열된 액틴 필라멘트 번들이 초기 극성 질서가 없음에도 불구하고 어떻게 수축할 수 있는가?
• RQ2 myosin 모터가 반대 방향 필라멘트에 작용할 때 순수단축을 가능하게 하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 필라멘트 밀도와 극성 분포의 공간 비균일성이 수축 동역학에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 이동 속도 방정식의 상용로그 보정 항이 집합과 단축을 어떻게 촉진하는가?
• RQ5 최소한의 확률적 모델이 실험적으로 관측된 액틴 번들의 수축 특성—특히 극성 날개 형성—을 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 필라멘트의 위치와 극성이 초기에 무작위로 분포되어 있음에도 불구하고 실험적으로 관측된 종방향 단축을 재현한다.
• 수치 시뮬레이션은 수축 과정에서 오른쪽 또는 왼쪽으로 극성이 정렬된 집합이 자발적으로 형성됨을 보여준다.
• 이동 속도 방정식의 상용로그 항은 국소 밀도 기울기를 강화함으로써 집합을 촉진하며, 특히 ρ₊와 ρ₋가 공간적으로 반대 상관관계를 가질 경우에 두드러진다.
• 상용로그 보정 항이 없을 경우 시스템은 비틀림 유사 수축을 보이지만, 보정 항이 존재할 경우 비균일한 밀도 진화와 집합이 유도된다.
• 모델은 Takiguchi의 실험 관측과 일치하는 고지역 밀도의 한 종류의 극성 집합인 극성 날개의 생성을 예측한다.
• 모터 주파수를 κ₀L₀/L(t)로 시간에 따라 조정해도 시뮬레이션과 실험 간의 정성적 일치가 유지되며, 이는 모터 가용성의 시간 의존성에 대해 강건함을 시사한다.