[论文解读] Microtubule-based active fluids with improved lifetime, temporal stability and miscibility with passive soft materials

Pooja Chandrakar, John P. Berezney+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2018

Micro and Nano Robotics被引用 4

一句话总结

本研究通过将驱动蛋白马达与微管骨架连接，并使用非过程性马达，开发出改进的基于微管的活性流体，实现了多日的寿命和增强的时间稳定性。通过用特定交联剂替代耗尽剂，该系统可与被动软材料（如聚合物凝胶和液晶）相容，从而实现与混合活性物质系统的集成，推动先进生物物理研究。

ABSTRACT

We have developed several distinct model systems of microtubule-based 3D active isotropic fluids and have compared their dynamical and structural properties. The non-equilibrium dynamics of these fluids is powered by three different types of kinesin motors: a processive motor, a non-processive motor, and a motor which is permanently linked to a microtubule backbone. The fourth modification uses specific microtubule crosslinkers to induce bundle formation instead of a non-specific depletant. In comparison to the formerly developed systems, each new active fluid formulation has certain enhanced properties. Firstly, linking motors to the microtubule backbone enhances the fluid lifetime from hours to several days. Furthermore, switching to the non-processive motors significantly increases the temporal stability of the active dynamics, while using specific cross-linkers yields systems that can incorporate other passive soft materials, such as, polymer gels or liquid crystals. These novel developed model systems will significantly aid and improve our ability to quantify diverse phenomena observed in microtubule based active matter.

研究动机与目标

• 开发基于微管的活性流体，其寿命显著长于以往系统。
• 增强三维各向同性流体中活性动力学的时间稳定性，以支持可靠的长期实验。
• 实现与被动软材料（如聚合物凝胶和液晶）的相容性，以构建混合活性物质系统。
• 比较不同驱动蛋白马达类型（过程性、非过程性及与微管结合的马达）驱动的活性流体的动力学与结构特性。
• 构建可支持在复杂、生物相关环境中对活性物质现象进行定量研究的模型系统。

提出的方法

• 通过将驱动蛋白马达与微管相关蛋白基因融合，将马达永久锚定在微管骨架上，实现工程化改造。
• 用特定的微管交联剂替代非特异性耗尽剂，以诱导可控的束状聚集，而非非特异性聚集。
• 采用三种不同的驱动蛋白马达类型：一种过程性马达、一种非过程性马达，以及一种永久连接至微管的马达。
• 在体相溶液中配制具有受控微管和马达浓度的三维各向同性活性流体。
• 利用延时显微成像表征流体动力学，并分析运动模式、寿命及结构演化。
• 通过将基于微管的活性流体与聚合物凝胶和液晶共组装，测试其与被动软材料的相容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 将驱动蛋白马达直接锚定在微管骨架上，对活性流体的寿命有何影响？
• RQ2 使用非过程性马达对活性流体动力学的时间稳定性有何影响？
• RQ3 能否使用特定的微管交联剂替代耗尽剂，以实现与被动软材料的相容性？
• RQ4 不同马达类型如何影响三维各向同性活性流体的结构与动力学特性？
• RQ5 基于微管的活性流体在多大程度上可与聚合物凝胶和液晶等被动软材料集成到混合系统中？

主要发现

• 将驱动蛋白马达连接至微管骨架，使流体寿命从数小时延长至数天，显著提升了系统寿命。
• 改用非过程性马达后，活性动力学的时间稳定性得到提升，波动减少，重现性增强。
• 使用特定微管交联剂替代耗尽剂，实现了与被动软材料（如聚合物凝胶和液晶）的稳定、可混溶混合。
• 新配方在维持各向同性三维流体行为的同时，支持长时间持续的主动运动。
• 该系统与多种被动软材料相容，可实现混合活性物质结构的构建。
• 这些改进的模型系统为在复杂、生物相关环境中量化活性物质现象提供了稳健平台。