[论文解读] The structure-dynamics feedback mechanism governs the glassy dynamics in epithelial monolayers

Satyam Pandey, Soumitra Kolya+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2023

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies被引用 7

一句话总结

本研究表明，尽管具有生物复杂性，汇合上皮单层仍表现出与模式耦合理论（MCT）相容的近乎理想的玻璃态动力学。通过模拟平衡状态下的顶点模型，并将静态结构因子作为MCT的输入，作者发现松弛时间、时间-温度叠加以及亚阿伦尼乌斯行为方面均表现出惊人的一致性——使这些系统成为MCT验证中罕见的无淬火无序候选体系。

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.

研究动机与目标

• 研究汇合上皮单层是否可由模式耦合理论（MCT）描述，这些单层以异常的玻璃态动力学著称。
• 确定仅凭静态结构因子是否足以预测这些系统中的动态行为，因为MCT需要该输入。
• 评估模拟中观察到的亚阿伦尼乌斯松弛是否与MCT预测一致。
• 评估在无淬火无序条件下MCT的适用性，并识别理论建模的理想条件。

提出的方法

• 使用固定面积和周长模量的顶点模型模拟平衡状态下的上皮单层。
• 通过数值计算径向分布函数，并利用离散傅里叶变换推导静态结构因子。
• 将计算得到的结构因子用作模式耦合理论（MCT）的输入，以预测动态相关函数。
• 在包含200个点、Δk = 0.2的波矢网格上，使用离散黎曼和数值求解MCT方程。
• 将MCT预测的松弛时间与中间散射函数与直接模拟结果进行比较。
• 调节波矢k和振幅a，使MCT与模拟之间的松弛时间匹配，以实现验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅使用静态结构数据，模式耦合理论能否准确预测汇合上皮单层的玻璃态动力学？
• RQ2 模拟中观察到的亚阿伦尼乌斯松弛行为是否与MCT预测一致？
• RQ3 在该生物系统中，MCT中的非遍历性转变是否可观测且具有物理意义？
• RQ4 为何传统理论（如RFOT）在亚阿伦尼乌斯区域失效，这对动力学本质意味着什么？
• RQ5 汇合上皮单层能否作为近乎理想、无无序的体系，用于测试MCT？

主要发现

• 在亚阿伦尼乌斯区域，松弛时间以恒定指数和前因子的幂律形式增加，与MCT预测一致。
• 中间散射函数表现出时间-温度叠加，这是MCT行为的典型特征。
• MCT准确再现了顶点模型模拟的动力学，除了存在虚假的非遍历性转变。
• 在大$p_0$区域，系统对周长目标$p_0$无依赖性，表明动力学对该参数具有鲁棒性。
• 亚阿伦尼乌斯松弛与RFOT理论不相容，因为其导致负的克劳修斯-克拉佩龙温度$T_K$，表明基于活化能的框架失效。
• 汇合上皮单层是目前已知首个满足MCT条件、无淬火无序的近乎理想平衡体系。