[论文解读] A multiscale active nematic theory of microtubule/motor-protein assemblies
本文提出了一套多尺度理论框架，将微观的马达蛋白活动与微管/马达蛋白组装体中的宏观流动和缺陷动力学联系起来。通过结合极性微管束的布朗运动模拟与连续介质Doi-Onsager理论，识别出极性排序和交联松弛是主动应力的关键来源，揭示了局部极性组织如何驱动活性向列流体中的大尺度流体动力学流动和缺陷演化。
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.
研究动机与目标
- 理解微观极性依赖的马达蛋白活动如何在微管/马达蛋白系统中产生大尺度流体动力学流动。
- 识别驱动这些活性向列流体非平衡动力学的微观主动应力来源。
- 弥合局部极性组织与自组织生物组装体中涌现的大尺度流动和缺陷结构之间的鸿沟。
提出的方法
- 通过马达蛋白交联的极性微管束的布朗运动模拟，以建模微观组织和应力生成。
- 识别出两种极性特异的主动应力来源：极性排序与交联松弛。
- 应用连续介质Doi-Onsager理论，从极性依赖的主动应力描述流体动力学流动。
- 将微观模拟结果与连续流体动力学耦合，以预测大尺度流动和缺陷动力学。
- 利用该理论将局部极性结构与涌现的宏观流动模式及缺陷运动相联系。
实验结果
研究问题
- RQ1马达蛋白与微管之间的极性依赖性相互作用如何在微观尺度上产生主动应力？
- RQ2在极性微管束中，主动应力生成的主导机制是什么？
- RQ3微观极性结构和主动应力如何导致大尺度流体动力学流动与缺陷动力学？
- RQ4交联松弛与极性排序在破坏向列序中的作用是什么？
- RQ5如何通过多尺度理论一致地将微观活动与宏观流体行为在活性向列系统中联系起来？
主要发现
- 极性排序与交联松弛被识别为极性微管束中主要的主动失稳应力来源。
- 这些主动应力驱动了在连续Doi-Onsager描述中可观测到的大尺度流体动力学流动。
- 该理论成功地将局部极性组织与复杂流动结构及缺陷动力学的涌现相联系。
- 缺陷运动与流动模式直接受由马达-微管相互作用产生的主动应力各向异性影响。
- 该模型表明，微管/马达系统中的活性向列行为源于极性依赖力与流体动力学耦合的相互作用。
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