Physics of the cellular symmetry breaking and the non-equilibrium interface driven by molecular motors

分子马达驱动的细胞对称性破缺和非平衡界面物理

• 批准号: 19J20035
• 负责人: 坂本 遼太
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: Kyushu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-04-25 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19J20035/
• 关键词: アクティブ・マター; アクチン細胞骨格; 非平衡物理学; 細胞運動; 自己組織化; パターン形成; 人工細胞; 生物物理; 非平衡物理; アクティブマター

今年度は人工細胞液滴の自発運動メカニズムを引き続き探求した．自発運動の駆動力の起源を明らかにするため，液滴と基盤の間に蛍光ビーズを配置し，アクチン流動から外部の基盤への力伝達を可視化するForce Transmission Microscopyを開発した．そして，アクチン流動が生み出す界面摩擦と液滴が受ける流体抵抗のバランスで運動速度が決まる理論モデルを構築し，運動速度の液滴サイズ依存性の実験結果を理論的に説明した．以上から，周囲環境を利用する非接着型運動の力学を明らかにした．次に，人工細胞に拘束されたアクチン細胞骨格が織り成すパターン形成を探求した．実験では，収縮力の増加に伴いアクチン流動からリング状の波に転移する条件を見出した．この結果を説明するため，アクトミオシンの収縮現象を記述するアクティブ・ゲル理論のシミュレーションを構築した．理論解析から，アクチン流動から波への転移が収縮力の強さと重合速度によって決まることが示唆された．この予測を検証するため，収縮力活性とアクチン線維重合速度を変化する薬剤を加える分子摂動実験を行ったところ，理論予測の相図が実験で定性的に再現され，アクティブ・ゲル理論の妥当性を裏付けた．さらに，アクチン線維と液滴界面の結合を強固にすると，液滴の中心を軸に回転する波が現れることを見出した．この回転波が現れる条件を解明するため，実験で回転波が発生する初期段階に注目したところ，膜との結合のためにアクチンが膜から剥がれるのに時間がかかる「時間遅れ」があることが示唆された．この実験結果を理論で再現するため，初期収縮の時間遅れをシミュレーションに実装した．理論解析の結果，初期収縮の時間遅れによってリング状の波が徐々に不安定化し，最終的に回転波が安定化した．以上から，アクティブ・ゲルが対称性を破ることで多彩な非平衡構造を生み出す新たな力学的機構を明らかにした．

今年，我们继续探索人工细胞液滴的自发运动机制。为了阐明自发运动的驱动力的起源，我们开发了力传递显微镜，它将荧光珠放置在液滴和基底之间，并可视化从肌动蛋白流到外部基底的力传递。然后，我们构建了一个理论模型，其中运动速度由肌动蛋白流产生的界面摩擦与液滴所经历的流体阻力之间的平衡决定，并从理论上解释了运动速度与液滴尺寸相关的实验结果。综上所述，我们已经阐明了利用周围环境的非粘附运动的机制。接下来，我们探索了由人工细胞约束的肌动蛋白细胞骨架编织的图案形成。在实验中，我们发现随着收缩力的增加，肌动蛋白流转变为环形波的条件。为了解释这一结果，我们构建了活性凝胶理论的模拟，该理论描述了肌动球蛋白的收缩现象。理论分析表明，肌动蛋白流向波的转变是由收缩力的强度和聚合速率决定的。为了验证这一预测，我们进行了分子微扰实验，其中添加了改变收缩力活性和肌动蛋白原纤维聚合速率的药物，理论预测的相图在实验中得到了定性再现，证实了活性凝胶的有效性理论得到证实。此外，我们发现通过加强肌动蛋白纤维和液滴界面之间的结合，会出现围绕液滴中心旋转的波。为了阐明这种旋转波出现的条件，我们在实验中重点关注了旋转波产生的初始阶段，发现肌动蛋白需要一定时间才能产生“时滞”。由于与膜粘合，建议从膜上剥离。为了从理论上重现这个实验结果，我们在模拟中的初始收缩中实现了时间延迟。理论分析的结果是，环形波由于初始收缩的时间延迟而逐渐变得不稳定，最后旋转波变得稳定。由此，我们揭示了活性凝胶通过破坏对称性产生各种非平衡结构的新力学机制。

项目成果

化学と工業，構成的アプローチで探る「発動する人工細胞」の設計原理

化学与工业：利用组合方法探索“激活人造细胞”的设计原理

• 发表时间: 2020
• 作者: 坂本 遼太;前多 裕介;宮﨑 牧人;坂本遼太，前多裕介
• 通讯作者: 坂本遼太，前多裕介

周囲環境の拘束下で生じるアクトミオシン液滴の自発運動

环境限制下肌动球蛋白液滴的自发运动

• 发表时间: 2022
• 作者: Yusuke Sasaki;Hideharu Mori;坂本遼太，イズリ・ジャン，島本勇太，宮﨑牧人，前多裕介
• 通讯作者: 坂本遼太，イズリ・ジャン，島本勇太，宮﨑牧人，前多裕介

細胞内構造の配置対称性が決まる仕組みを解明：人工細胞と物理学からメカニズムに迫る

阐明决定细胞内结构排列对称性的机制：从人造细胞和物理学探讨机制

The tug-of-war at the heart of cellular symmetry

细胞对称性核心的拉锯战

Symmetry breaking induced adhesion-independent motility of actomyosin droplets under confinement

对称性破坏诱导限制下肌动球蛋白液滴的粘附独立运动

• 发表时间: 2021
• 作者: Ryota Sakamoto;Makito Miyazaki;Ziane Izri;Yusuke T. Maeda
• 通讯作者: Yusuke T. Maeda