[论文解读] Uncovering the dynamic precursors to motor-driven contraction of active gels

José Alvarado, Luca Cipelletti+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2018

Cellular Mechanics and Interactions参考文献 96被引用 13

一句话总结

本研究揭示了在重构肌动蛋白-肌球蛋白凝胶中宏观收缩之前存在的两种动态前兆：随时间加速的应力诱导重排，以及依赖于边界粘附的突发性、非均匀重排。通过结合实空间视频显微镜与傅里叶空间动态光散射技术，作者发现这些微观动力学预示并类似于被动凝胶中的延迟断裂，为活性细胞骨架收缩的机制起源提供了新见解。

ABSTRACT

Cells and tissues have the remarkable ability to actively generate the forces required to change their shape. This active mechanical behavior is largely mediated by the actin cytoskeleton, a crosslinked network of actin filaments that is contracted by myosin motors. Experiments and active gel theories have established that the length scale over which gel contraction occurs is governed by a balance between molecular motor activity and crosslink density. By contrast, the dynamics that govern the contractile activity of the cytoskeleton remain poorly understood. Here we investigate the microscopic dynamics of reconstituted actin-myosin networks using simultaneous real-space video microscopy and Fourier-space dynamic light scattering. Light scattering reveals rich and unanticipated microscopic dynamics that evolve with sample age. We uncover two dynamical precursors that precede macroscopic gel contraction. One is characterized by a progressive acceleration of stress-induced rearrangements, while the other consists of sudden rearrangements that depend on network adhesion to the boundaries and are highly heterogeneous. Our findings reveal an intriguing analogy between self-driven rupture and collapse of active gels to the delayed rupture of passive gels under external loads.

研究动机与目标

• 理解由分子马达驱动的活性凝胶中，宏观收缩之前发生的微观动力学过程。
• 识别调控重构肌动蛋白-肌球蛋白网络中马达驱动收缩起始的动态前兆。
• 研究网络年龄、交联密度和边界粘附对收缩不稳定性出现的影响。
• 探讨活性凝胶收缩与被动凝胶在负载下延迟断裂之间的类比关系。
• 弥合分子马达活动与细胞骨架网络中宏观机械行为涌现之间的鸿沟。

提出的方法

• 同步进行实空间视频显微镜观测，以追踪凝胶中粒子的运动及结构重组。
• 采用傅里叶空间动态光散射技术，探测集体尺度的动力学行为与异质性。
• 系统性调节样品年龄，观察动态行为随时间的演化。
• 分析老化网络中应力诱导重排及其随时间的加速现象。
• 在受控粘附条件下，研究边界粘附依赖的突发性重排。
• 对比主动凝胶动力学与被动凝胶在外加载荷下断裂行为的异同。

实验结果

研究问题

• RQ1 在活性凝胶中，宏观收缩之前存在哪些微观动力学过程？
• RQ2 网络年龄如何影响收缩前兆的出现？
• RQ3 边界粘附与非均质性在多大程度上控制网络中的突发性重排？
• RQ4 活性凝胶收缩的动力学能否类比于被动凝胶在负载下的延迟断裂？
• RQ5 在马达驱动的凝胶中，应力诱导重排如何随时间演化？

主要发现

• 识别出两种截然不同的动态前兆：应力诱导重排的渐进性加速，以及依赖于网络粘附的突发性、非均质重排。
• 应力诱导重排的加速随样品年龄增加而增强，表明收缩前存在内部应力的累积。
• 突发性重排以高度非均质的方式发生，且显著受网络与边界粘附的影响。
• 观察到的动力学与被动凝胶在外加载荷下延迟断裂的现象具有显著类比性，提示可能存在共同的机制起源。
• 研究结果表明，宏观收缩之前存在非均匀、非均质的动力学过程，仅靠宏观流变学无法完全捕捉。
• 实空间成像与傅里叶空间光散射的结合，实现了对活性凝胶中空间与动态异质性的分辨。