[论文解读] Actin based propulsion: Intriguing interplay between material properties and growth processes

Karin John, Denis Caillerie+4 more|ArXiv.org|Sep 3, 2009

Cellular Mechanics and Interactions参考文献 52被引用 3

一句话总结

本文提出了一套理论框架，将肌动蛋白聚合动力学与肌动蛋白驱动推进中的力学性能联系起来，表明不对称的力生成源于凝胶弹性、刷状界面处的聚合动力学以及粘性耗散之间的相互作用。关键结果表明，物体运动并非仅由主动力引起，而是由摩擦不对称性和 treadmilling（ treadmilling）驱动，物体速度由摩擦系数之比决定，解释了在低雷诺数环境中观测到的速度接近 treadmilling 速率的现象。

ABSTRACT

Eukaryotic cells and intracellular pathogens such as bacteria or viruses utilize the actin polymerization machinery to propel themselves forward. Thereby, the onset of motion and choice of direction may be the result of a spontaneous symmetry-breaking or might be triggered by external signals and preexisting asymmetries, e.g. through a previous septation in bacteria. Although very complex, a key feature of cellular motility is the ability of actin to form dense polymeric networks, whose microstructure is tightly regulated by the cell. These polar actin networks produce the forces necessary for propulsion but may also be at the origin of a spontaneous symmetry-breaking. Understanding the exact role of actin dynamics in cell motility requires multiscale approaches which capture at the same time the polymer network structure and dynamics on the scale of a few nanometers and the macroscopic distribution of elastic stresses on the scale of the whole cell. In this chapter we review a selection of theories on how mechanical material properties and growth processes interact to induce the onset of actin based motion.

研究动机与目标

• 理解真核细胞和胞内病原体中肌动蛋白驱动推进系统中定向运动的力学起源。
• 解决在无外部作用力、惯性效应可忽略（Re ≪ 1）的条件下，运动如何自发启动的悖论。
• 弥合肌动蛋白刷界面处的微观聚合动力学与肌动蛋白凝胶中宏观应力分布之间的鸿沟。
• 将弹性不稳定性与反应-扩散信号传导整合到细胞运动的统一模型中。

提出的方法

• 构建了均质化模型，以描述肌动蛋白凝胶的复杂微观结构，同时保留用于应力分布的连续力学框架。
• 分析了从曲面生长的肌动蛋白凝胶的稳定性，基于模数（m ≤ 4 与 m > 4）识别出波状不稳定性与蠕动不稳定性。
• 在粘性区域使用力平衡模型，假设物体和肌动蛋白彗星的阻力分别为线性阻尼，摩擦系数为 ξₒ 和 ξc。
• 推导出物体速度为 vₒ = vₜ ξc / (ξₒ + ξc)，其中 vₜ 为 treadmilling 速度，表明运动源于摩擦不对称性。
• 提出将均质化凝胶力学与刷状界面处的动态聚合相耦合，如 EGF08 和 GFF08 所示，以模拟如前缘等复杂几何结构。
• 考虑了作为反应-扩散系统的信号级联在诱导细胞极化与调节肌动蛋白活性中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在粘性、低雷诺数环境中，无外部作用力时，定向运动如何从肌动蛋白聚合中产生？
• RQ2 被推动物体与肌动蛋白彗星之间摩擦不对称性在决定物体速度方面起什么作用？
• RQ3 肌动蛋白凝胶中的弹性不稳定性如何与刷界面处的聚合动力学耦合以实现对称性破缺？
• RQ4 反应-扩散信号系统与机械不稳定性以何种方式协同演化，以建立并维持细胞极性？
• RQ5 如何构建统一模型，弥合纳米尺度聚合动力学与肌动蛋白驱动运动中宏观应力场之间的差距？

主要发现

• 肌动蛋白驱动推进中的运动并非仅由主动力生成驱动，而是由粘性耗散和物体与肌动蛋白彗星之间的摩擦不对称性共同驱动。
• 物体速度由 vₒ = vₜ ξc / (ξₒ + ξc) 给出，表明运动由摩擦系数之比决定，而非绝对力的大小。
• 当肌动蛋白彗星的摩擦远高于物体（ξc ≫ ξo）时，物体速度趋近于 treadmilling 速度 vₜ，与实验观测一致。
• 对于小模数（m ≤ 4），系统表现出波状不稳定性，内部与外部界面的扰动同相；对于更高模数，则出现反相模式的蠕动不稳定性。
• 理论模型必须将均质化凝胶力学与动态刷状界面动力学耦合，才能捕捉真实几何结构中肌动蛋白凝胶生长与形变的全部复杂性。
• 尽管反应-扩散信号与机械不稳定性均对稳健的细胞极化与运动至关重要，但二者的整合仍是开放挑战。