[论文解读] Measuring structural parameters of crosslinked and entangled semiflexible polymer networks with single-filament tracing

Tina Händler, Cary Tutmarc+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2020

Force Microscopy Techniques and Applications参考文献 43被引用 7

一句话总结

本研究引入了可机械编程的DNA纳米管作为可调谐示踪剂，用于测量交联及缠结的半柔性聚合物网络中的结构参数——管径和网格尺寸。通过改变DNA示踪剂的 Persistence length，作者表明仅基于位阻相互作用的常规管模型无法预测示踪剂刚性依赖性，因此必须引入纤维间相互作用，才能准确表征F-肌动蛋白和合成DNA网络中的网络结构。

ABSTRACT

Single-filament tracing has been a valuable tool to directly determine geometrical and mechanical properties of entangled polymer networks. However, systematically verifying how the stiffness of the tracer filament or its molecular interactions with the surrounding network impacts the measurement of these parameters has not been possible with the established experimental systems. Here, we use mechanically programmable DNA nanotubes embedded in crosslinked and entangled F-actin networks, as well as in synthetic DNA networks, in order to measure fundamental, structural network properties like tube width and mesh size with respect to the stiffness of the tracers. While we confirm some predictions derived from models based purely on steric interactions, our results indicate that these models should be expanded to account for additional inter-filament interactions, thus describing the behavior of real polymer networks.

研究动机与目标

• 开发一种直接测量复杂半柔性聚合物网络中结构参数（如管径和网格尺寸）的方法。
• 研究示踪丝的刚性如何影响管模型在缠结和交联网络中预测的准确性。
• 确定仅基于位阻相互作用的现有理论模型是否能定量描述真实聚合物网络的行为。
• 通过探测示踪剂Persistence length和网络类型对模型的依赖性，验证并扩展半柔性聚合物的管模型。
• 为利用单丝示踪方法定量表征生物相关网络（如细胞骨架）的结构架构提供一个定量框架。

提出的方法

• 在F-肌动蛋白和合成DNA网络中使用具有可调Persistence length的机械可编程DNA纳米管（nHTs）作为非特异性、非结合性示踪剂。
• 通过荧光显微镜进行单丝示踪，追踪nHTs在网络内的扩散与受限运动。
• 应用管模型，利用公式 a ≈ 0.31ξ^(6/5)l_p^(1/5) + 0.59ξ²/L 从测得的管径（a）提取网格尺寸（ξ）。
• 系统性地改变nHT的轮廓长度（L）和Persistence length（l_p），以探测标度律和有限长度修正。
• 使用具有深度补偿功能的共聚焦显微镜，确保在厚样品中对荧光标记nHTs实现精确的三维追踪。
• 将实验测得的管径与理论预测值进行比较，以评估模型有效性并识别需引入额外相互作用项的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 示踪丝的刚性如何影响在缠结和交联的半柔性聚合物网络中测得的管径？
• RQ2 仅考虑位阻作用的管模型在多大程度上能准确预测真实聚合物网络中示踪扩散所对应的网格尺寸？
• RQ3 示踪丝的有限长度是否显著改变管径测量结果，以及如何进行修正？
• RQ4 能否在使用非结合DNA纳米管作为示踪剂的前提下，可靠地将管模型应用于交联的F-肌动蛋白网络？
• RQ5 除位阻阻碍外，纤维间相互作用在决定示踪丝有效受限行为中起到何种作用？

主要发现

• 在F-肌动蛋白和DNA网络中，DNA纳米管示踪剂的管径与网格尺寸及示踪剂Persistence length的依赖关系符合管模型的预测，证实了 a ∝ ξ^(6/5)l_p^(1/5) 的标度关系。
• 实验数据显示，理论预测的管径对示踪丝轮廓长度的反比依赖性（a ∝ L^−1）并未出现，表明当前模型未能充分捕捉有限长度效应。
• 管模型方程中的有限长度修正项（0.59ξ²/L）不足以解释观测到的数据，尤其是对较短示踪丝而言，提示存在其他物理效应。
• 利用完整管模型方程从管径推导出的网格尺寸测量结果，在不同示踪丝长度和网络类型下具有一致性，验证了该方法的可靠性。
• 仅位阻作用模型无法预测刚性依赖性，表明必须在理论框架中引入纤维间相互作用（如瞬时结合或流体动力耦合）以实现准确描述。
• 使用非结合性DNA纳米管可实现对交联体系中网络结构的直接、解耦测量，为研究细胞骨架和合成生物聚合物网络提供了新工具。