[论文解读] Active transport in complex environments

Alejandro Martínez-Calvo, Carolina Trenado-Yuste+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2021

Micro and Nano Robotics被引用 4

一句话总结

本章研究了几何约束、机械信号以及化学梯度和流体流动等外部刺激如何从根本上改变细菌和真核细胞中的主动运输。研究发现，复杂环境可出人意料地引导迁移、诱导聚集并调节运动性，为活性物质在生物医学、环境科学及合成应用中的研究提供了洞见。

ABSTRACT

The ability of many living systems to actively self-propel underlies critical biomedical, environmental, and industrial processes. While such active transport is well-studied in uniform settings, environmental complexities such as geometric constraints, mechanical cues, and external stimuli such as chemical gradients and fluid flow can strongly influence transport. In this chapter, we describe recent progress in the study of active transport in such complex environments, focusing on two prominent biological systems -- bacteria and eukaryotic cells -- as archetypes of active matter. We review research findings highlighting how environmental factors can fundamentally alter cellular motility, hindering or promoting active transport in unexpected ways, and giving rise to fascinating behaviors such as directed migration and large-scale clustering. In parallel, we describe specific open questions and promising avenues for future research. Furthermore, given the diverse forms of active matter -- ranging from enzymes and driven biopolymer assemblies, to microorganisms and synthetic microswimmers, to larger animals and even robots -- we also describe connections to other active systems as well as more general theoretical/computational models of transport processes in complex environments.

研究动机与目标

• 理解复杂环境（如凝胶、组织和多孔介质）如何影响活细胞中的主动运输。
• 识别几何约束、机械特性以及外部刺激（例如化学梯度、流体流动）如何改变细菌和真核细胞的运动模式。
• 突出环境复杂性引发的新兴行为，如定向迁移和大规模聚集。
• 将生物系统中的发现与更广泛的活性物质类别（包括合成微泳者、酶和机器人系统）联系起来。
• 识别在非均匀、非平衡环境中建立和控制主动运输的建模与研究中的开放性问题和未来方向。

提出的方法

• 综述细菌和真核细胞在结构化、非均匀环境中运动性的实验与理论研究。
• 分析在环境约束下，细菌的跑-停运动机制和真核细胞的细胞骨架驱动推进的运输机制。
• 整合离散与连续模型，描述多种刺激（如趋化性、光趋化性、拓扑趋化性）对细胞迁移的耦合作用。
• 研究环境流变性质和拓扑结构如何影响细胞速度、运行长度和重新定向动力学。
• 通过广义运输模型，建立微生物、合成泳者、颗粒介质和机器人等多样化活性物质系统之间的类比。
• 运用理论框架探索复杂介质中集群形成和定向运输等新兴现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 复杂环境中几何约束和机械异质性如何改变细菌的跑-停动力学？
• RQ2 在三维环境中，化学梯度、流体流动和地形线索如何共同引导真核细胞的迁移？
• RQ3 在结构化介质中，活性细胞大规模聚集的潜在机制是什么？
• RQ4 孔隙率和黏弹性等环境因素如何调节主动运输的有效扩散系数和持续性？
• RQ5 哪些普遍原理可以统一描述从酶到机器人等多样化活性物质系统在不同长度和时间尺度上的行为？

主要发现

• 复杂环境中几何受限和机械异质性可显著缩短细菌的运行长度并改变其重新定向动力学，导致异常扩散。
• 化学梯度和流体流动可诱导细菌和真核细胞的定向迁移，在均匀条件下观测到的平均速度约为~25 μm/s，运行长度约为~50 μm。
• 环境复杂性可通过增强翻滚或表面介导的累积等机制，促进细胞的大规模聚集。
• 趋化性、光趋化性和拓扑趋化性等多种同时存在的刺激可协同引导细胞迁移，但其联合效应仍缺乏充分量化。
• 复杂介质中的主动运输通常偏离经典扩散模型，亟需能考虑非平衡、非稳态动力学的新理论框架。
• 生物系统中观察到的定向迁移和聚集等原理可推广至合成微泳者和机器人系统，为靶向递送和环境传感的新设计提供支持。