[论文解读] Filamentous Active Matter: Band Formation, Bending, Buckling, and Defects

G. A. Vliegenthart, Arvind Ravichandran+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2019

Micro and Nano Robotics参考文献 53被引用 47

一句话总结

本研究采用基于组分的朗之万动力学模拟，揭示了分子马达如何驱动半柔性丝状物自组织化，通过极性排序和屈曲不稳定性形成活性极性向列结构。主要发现包括：活性扩散与畴尺寸与马达活性的普遍标度关系，以及在无流体动力相互作用的情况下，由反向平行马达力驱动的畴边界处动态拓扑缺陷的出现。

ABSTRACT

Motor proteins drive persistent motion and self-organisation of cytoskeletal filaments. However, state-of-the-art microscopy techniques and continuum modelling approaches focus on large length and time scales. Here, we perform component-based computer simulations of polar filaments and molecular motors linking microscopic interactions and activity to self-organisation and dynamics from the two-filament level up to the mesoscopic domain level. Dynamic filament crosslinking and sliding, and excluded-volume interactions promote formation of bundles at small densities, and of active polar nematics at high densities. A buckling-type instability sets the size of polar domains and the density of topological defects. We predict a universal scaling of the active diffusion coefficient and the domain size with activity, and its dependence on parameters like motor concentration and filament persistence length. Our results provide a microscopic understanding of cytoplasmic streaming in cells and help to develop design strategies for novel engineered active materials.

研究动机与目标

• 理解丝状物-马达系统中自组织现象的微观起源。
• 研究马达活性、丝状物柔韧性及交联作用如何驱动条带和缺陷等涌现结构的形成。
• 确定反向平行马达及活性在诱导屈曲不稳定性与畴形成中的作用。
• 建立活性扩散与畴尺寸的普遍标度律，以马达作用力与系统参数为依据。
• 提出一个最小化、基于组分的模型，连接分子尺度相互作用与活性物质中的介观动力学。

提出的方法

• 使用周期性边界条件的二维半柔性丝状物与分子马达悬浮体系的朗之万动力学模拟。
• 将丝状物建模为通过谐振弹簧连接的珠子链，并通过弯曲刚度设定Persistence长度。
• 将分子马达建模为沿丝状物单向行走的谐振弹簧，步长等于珠子间距。
• 根据局部马达浓度与接近程度设定马达结合速率，当到达丝状物末端或过度拉伸时发生解离。
• 应用涨落-耗散定理以确保在阻尼主导区域的热平衡，时间步长与阻尼系数经调节以实现扩散行为。
• 通过反向平行马达产生的总力量化活性，该力与系统尺度的动力学及不稳定性起始密切相关。

实验结果

研究问题

• RQ1 分子马达如何在初始为向列态的丝状物悬浮液中诱导极性排序与条带形成？
• RQ2 什么因素决定了活性丝状物-马达系统中极性畴的尺寸与稳定性？
• RQ3 马达活性，特别是通过反向平行交联作用，如何导致类似屈曲的不稳定性与缺陷形成？
• RQ4 活性扩散、畴尺寸与马达诱导力之间的标度关系为何？
• RQ5 在该类系统中，流体动力相互作用在多大程度上可被排除在缺陷动力学的驱动机制之外？

主要发现

• 系统从无序向列态演化为具有粗化极性条带的活性极性向列态，由反向平行丝状物上的马达诱导力驱动。
• 在高活性条件下出现类似屈曲的不稳定性，破坏有序条带，导致具有持续缺陷生成与湮灭的无序动态畴。
• 活性扩散系数与畴尺寸与马达诱导力呈普遍标度关系，后者取决于反向平行马达数量及其伸展程度。
• 反向平行马达比例随丝状物Persistence长度减小与马达速度增加而上升，促进更小的畴与更高的界面长度。
• 拓扑缺陷在极性畴的三重连接处出现，其两种不同构型由极性取向区分。
• 缺陷动力学由±1/2缺陷对的伸展运动驱动，这些缺陷对持续生成与湮灭，维持长时间尺度的活性扩散。