[論文レビュー] Modulating internal transition kinetics in responsive macromolecules by collective crowding

Upayan Baul, Nils Göth+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2021

Micro and Nano Robotics参考文献 52被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、自己一貫的な粒子サイズ遷移と局所的密度揺らぎの結合によって、応答性高分子鎖内における2準位スイッチングキネティクスが1桁のスケールで制御可能であることを示している。応答性コロイドの二値サイズエネルギーランドスケープを用いたブラウン運動シミュレーションを通じ、クラマース理論と液体状態の摂動理論を組み合わせたスケーリング則を導出し、さまざまな密度における遷移時間と分布の正確な予測が可能であることを明らかにした。

ABSTRACT

Packing and crowding are used in biology as mechanisms to (self-)regulate internal molecular or cellular processes based on collective signalling. Here, we study how the transition kinetics of an internal switch of responsive macromolecules is modified collectively by their spatial packing. We employ Brownian dynamics simulations of a model of responsive colloids (RCs), in which an explicit internal degree of freedom, here, the particle size, moving in a bimodal energy landscape responds self-consistently to the density fluctuations of the crowded environment. We demonstrate that populations and transition times for the two-state switching kinetics can be tuned over one order of magnitude by self-crowding. An exponential scaling law derived from a combination of Kramers' and liquid state perturbation theory is in very good agreement with the simulations.

研究の動機と目的

• 集団的凝集—応答性高分子鎖の自己一貫的パッケージング—が内部2準位スイッチングキネティクスに与える影響を調査すること。
• 応答性コロイド（RCs）系における2つのコンformational状態（小および大）間の遷移キネティクスに及ぼす自己凝集効果をモデル化およびシミュレーションすること。
• 凝集によって誘発される密度揺らぎと遷移率・分布の変化を定量的に結びつける理論的枠組みを構築すること。
• ヒドロゲルやポリマーを含むスティミュラスレスポンス材料における内部スイッチングのチューニングに実験的に検証可能なスケーリング則を提供すること。

提案手法

• 周期的境界条件を適用した正準系（NVT）において、N = 512 個の応答性コロイド（RCs）のブラウン運動シミュレーションを実施した。
• 粒子サイズ σi と粒子間相互作用をヘーツィアンポテンシャル（式3）を介して明示的に結合する粗粒度ハミルトニアン（式1）を用いた。この相互作用は σi と σj に依存する。
• 内部エネルギーランドスケープ βψ(σ) を二峰性の二重ガウス分布（式2）として定義し、最小値を µ1 = 0.63σ0 および µ2 = 1.0σ0 に、活性化障壁を ≈1 kBT に設定した。
• サイズ拡散係数 Dσ = ασ0²/τBD を用いた過減衰ランジュバンダイナミクスにより、サイズおよび並進運動をシミュレーションし、α を調整することで固有のスイッチング時間をチューニングした。
• 式（4）を用いて、平衡状態におけるサイズ分布 N(σ;ρ) から、凝集によって修正されたエネルギーランドスケープ β˜ψ(σ;ρ) を計算した。これは集団的環境効果を反映している。
• クラマースの脱出率理論と液体状態の摂動理論を組み合わせたスケーリング理論を導出し、密度 ρ の関数としての遷移時間および分布を予測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間的パッケージングに起因する集団的凝集—応答性高分子鎖の自己一貫的パッケージング—は、内部コンformational状態間の遷移キネティクスにどのように影響を与えるか？
• RQ2 系の密度を変化させることで、2つの内部状態（小および大）間の分布と遷移時間は広い範囲でチューニング可能か？
• RQ3 クラマース理論と液体状態の摂動理論に基づく理論的スケーリング則は、凝集状態のRC系における観測されたキネティック変化をどの程度定量的に予測できるか？
• RQ4 内部自由度（サイズ）と局所的密度揺らぎの自己一貫的結合が、スイッチング行動をどのように調節しているか？

主な発見

• 応答性コロイドの小状態と大状態間の分布と遷移時間は、数密度 ρ を 0 から 1.91σ0³ まで増加させることで、1桁のスケールで制御可能であった。
• S→L 遷移の凝集によって修正されたエネルギーサイドバリアは密度に伴い増加し、高凝集状態では小状態のキネティックな安定化が示された。
• クラマースの脱出率理論と液体状態の摂動理論を組み合わせた理論的スケーリング則は、全密度範囲および固有のスイッチング速度において、シミュレーションデータと優れた一致を示した。
• 理論が予測する指数的スケーリング則は、遷移時間のアレニウス様の振る舞いを正確に捉えており、凝集状態では活性化エネルギーが増加することが示された。
• シミュレーションで出現した二峰性サイズ分布 N(σ;ρ) は定量的に再現され、集団的パッケージングに起因する内部エネルギーランドスケープの自己一貫的修正が確認された。
• 本モデルは、自己凝集がスティミュラスレスポンス材料における内部スイッチングのチューニングにフィードバック機構として機能できることを示しており、適応的かつプログラマブルなソフトマテリアルの実現に道を拓く。