[论文解读] Estimate of entropy generation rate can spatiotemporally resolve the active nature of cell flickering

Sreekanth K Manikandan, Tanmoy Kumar Ghosh+4 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2022

Neural dynamics and brain function参考文献 62被引用 4

一句话总结

本研究提出一种模型无关的方法，基于基于随机热力学的短时推断方案，从HeLa细胞的干涉反射显微镜闪烁数据中估算时空熵产生率。该方法在约1 μm分辨率下揭示了活跃的膜波动，能够区分ATP活跃膜与ATP耗竭膜，并映射细胞膜上不均匀的活性分布。

ABSTRACT

We use the short-time inference scheme (Manikandan, Gupta and Krishnamurthy, Phys. Rev. Lett. 124, 120603, 2020), obtained within the framework of stochastic thermodynamics, to infer a lower-bound to entropy generation rate from flickering data generated by Interference Reflection Microscopy of HeLA cells. We can clearly distinguish active cell membranes from their ATP depleted selves and even spatio-temporally resolve activity down to the scale of about one $μ$m. Our estimate of activity is model--independent.

研究动机与目标

• 开发一种从活细胞闪烁实验数据中估算熵产生率的模型无关方法。
• 在高空间和时间分辨率下解析细胞膜波动的活跃非平衡特性。
• 利用熵产生作为活性的定量物理度量，区分活跃膜与ATP耗竭膜。
• 绘制细胞膜上活性的空间异质性，揭示非均匀的能量消耗。
• 提供一种可推广的框架，用于量化细胞活性，而无需依赖平衡假设或详细机理模型。

提出的方法

• 应用短时推断方案（基于热力学不确定性关系）从闪烁轨迹中推断熵产生率的下限。
• 使用主成分分析（PCA）将像素级闪烁数据的维度降低至少数主导模式。
• 对前两个主成分的简化随机轨迹进行数值优化，以估算熵产生率。
• 使用简单活跃膜模型验证结果，并与ATP耗竭条件下的平衡谱进行比较。
• 通过分析约1.44 μm²的区域片段，实现膜上熵产生率的空间映射。
• 使用不等式 σ ≥ 2kB⟨J⟩² / (t Var(J)) 限定熵产生，其在短时极限下达到饱和。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不假设特定模型的前提下，从活细胞的短时闪烁数据中可靠估算熵产生率？
• RQ2 该方法在多大程度上可提升细胞膜中活跃过程的时空分辨率？
• RQ3 ATP活跃膜与ATP耗竭膜的熵产生率有何差异？
• RQ4 该方法是否能揭示膜活性的空间异质性，并可否与潜在的细胞骨架动力学关联？
• RQ5 该方法是否可推广用于结合特定蛋白或结构的荧光成像，实现活性映射？

主要发现

• 在1.44 × 1.44 μm²的区域中，熵产生率估算值约为10⁻³ kB s⁻¹，所有区域总和约为0.4 kB s⁻¹，超过以往单轨迹测量值。
• 活跃膜的熵产生率显著高于ATP耗竭膜，证实该方法可有效区分非平衡态。
• 空间图谱揭示了局部高活性区域（如图2中的箭头），这些区域在ATP耗竭后消失，表明活性具有异质性和动态特性。
• 该方法实现了约1 μm的空间分辨率，首次实现了细胞膜水平上熵产生率的直接时空映射。
• 熵产生率随ATP耗竭时间单调下降，与系统趋于平衡的预期一致。
• 结果与简单活跃膜模型的预测定性相符，验证了该方法与理论预期的一致性。