[论文解读] On the capacitive properties of individual microtubules and their meshworks

Aarat P. Kalra, Sahil Patel+8 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2019

Microtubule and mitosis dynamics参考文献 57被引用 4

一句话总结

本研究证明，单个微管及其网络结构在生理溶液中表现出电容特性，通过反离子凝聚储存电荷。利用电化学阻抗谱，作者量化了单根20 µm长微管的电容为1.86 × 10⁻¹² F，电阻为1.07 × 10¹² Ω，电荷传输在20–60 Hz频率范围内达到峰值，表明其在低频电振荡中发挥作用，并具有基于聚合状态可调的介电细胞骨架特性。

ABSTRACT

Microtubules are hollow cylindrical polymers composed of the highly negatively-charged (~23e), high dipole moment (1750 D) protein a,b-tubulin. While the roles of microtubules in chromosomal segregation, macromolecular transport and cell migration are relatively well-understood, studies on the electrical properties of microtubules have only recently gained strong interest. Here, we show that while microtubules at physiological concentrations increase solution capacitance, free tubulin has no appreciable effect. For a particular microtubule concentration, we were able to quantify these effects by determining the capacitance and resistance of a single 20 um-long microtubule to be 1.86 x 10^(-12) F and 1.07 x 10^12 Ohms respectively. Further, we observed a decrease in electrical resistance of solution, with charge transport peaking between 20-60 Hz in the presence of microtubules, consistent with recent findings that microtubules exhibit electric oscillations at such low frequencies. Our results show that in addition to macromolecular transport, microtubules also act as charge-storage devices through counterionic condensation across a broad frequency spectrum. We conclude with a hypothesis of an electrically-tunable cytoskeleton where the dielectric properties of tubulin are polymerization-state dependent.

研究动机与目标

• 研究单个微管及其网络在生理条件下的电容和电阻特性。
• 确定微管与游离的微管蛋白相比，是否对溶液电容和电阻产生不同影响。
• 探索微管在低频范围（20–60 Hz）内的频率依赖性电响应。
• 通过反离子凝聚机制，评估微管作为电荷储存装置的作用。
• 提出一种基于微管蛋白聚合状态依赖性介电特性的电学可调细胞骨架假设。

提出的方法

• 采用电化学阻抗谱测量微管在生理缓冲溶液中的电容和电阻。
• 利用带有电极的定制微流控装置对单个微管进行成像和电学探测。
• 通过阻抗分析量化单根20 µm长微管的电容和电阻。
• 在1–100 Hz范围内测量频率依赖性电响应，以检测振荡行为。
• 进行游离微管蛋白的对照实验，以分离微管特异性效应。
• 基于微管蛋白高负电荷密度的特性，将反离子凝聚建模为电荷储存机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 与游离微管蛋白相比，微管是否显著提高溶液电容？
• RQ2 在生理条件下，单根20 µm长微管的电容和电阻是多少？
• RQ3 微管的存在是否诱导选择性频率的电荷传输，特别是在20–60 Hz范围内？
• RQ4 微管的电学行为是否可归因于其高度带负电表面的反离子凝聚？
• RQ5 微管蛋白的介电特性是否可通过其聚合状态进行调节，从而实现电学可调的细胞骨架？

主要发现

• 单根20 µm长微管在生理溶液中表现出1.86 × 10⁻¹² F的电容和1.07 × 10¹² Ω的电阻。
• 微管可提高溶液电容，而游离微管蛋白对电容或电阻无显著影响。
• 含微管溶液中的电荷传输在20–60 Hz频率范围内达到峰值，与低频电振荡一致。
• 电学响应归因于高度负电性的微管表面发生的反离子凝聚。
• 结果支持一种基于聚合状态依赖性介电特性的可调谐细胞骨架假设。
• 由于其静电环境，微管在宽频谱范围内均能有效发挥电荷储存装置的作用。