Non-equilibrium mechanics of cellular symmetry and migratory principle by active gel physics

活性凝胶物理的细胞对称性非平衡力学和迁移原理

基本信息

批准号：
21K18605
负责人：
前多裕介
金额：
$ 4.08万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-07-09 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

細胞はエネルギーを消費し，変形しつつ自律的に運動する複雑な分子システムである．本研究ではアクチン細胞骨格とミオシン分子モーターのアクティブゲルを細胞サイズの油中液滴に封入し，その自律的運動の原理をマイクロ流体デバイスならびにソフトマター物理学の見地から明らかにする．これまでに脂質膜とアクトミオシンゲルとが接着する機能的膜界面を持つ人工細胞を構築し，アクトミオシンの収縮力が外部基盤に伝割自律的な運動が起こることを明らかにした．狭い空間に拘束された人工細胞の運動では，界面摩擦力と流体抵抗のバランスが運動速度を定め，効率的な力の伝達に外部環境と細胞表面の相互作用が不可欠であることを突き止め，本年度に論文発表を行った（PNAS 2022）．また，重要なことに運動の推進力は，アクトミオシンが波のように伝搬する「アクチン波」から伝達された摩擦力である．しかしアクトミオシン波の発生原理は十分な理解がなく，理論モデルの構築を通じて，細胞内空間において分子モーターの力が周期的アクチン波を形成するメカニズムの解明を目指した．細胞区画内の①アクトミオシン流動場の方程式，②細胞骨格の連続の式，③細胞の形を表す方程式の３つでアクティブゲルモデルを構築した．フェーズフィールド法を元に細胞区画を設定し，周期的なアクチン波が再現されるかを数値計算で検証したところ，ミオシンの収縮力とアクチン繊維の重合率を主要パラメータとして周期的アクチン波が現れる条件を突き止めた（Phys Rev Res 2023）.

细胞是复杂的分子系统，在消耗能量和变形的同时自主移动。在这项研究中，我们将肌动蛋白细胞骨架和肌球蛋白分子马达的活性凝胶封装在油中的细胞大小的液滴中，并从微流体装置和软物质物理的角度阐明了它们自主运动的原理。到目前为止，我们已经构建了具有功能性膜界面的人造细胞，其中脂膜和肌动球蛋白凝胶粘附在该界面上，并揭示了肌动球蛋白的收缩力导致外部基质的自主运动。当人造细胞在狭窄的空间内运动时，我们发现界面摩擦力和流体阻力之间的平衡决定了运动的速度，而外部环境和细胞表面之间的相互作用对于有效的力传递至关重要。论文发表于（PNAS 2022）。重要的是，运动的驱动力是“肌动蛋白波”传递的摩擦力，其中肌动球蛋白像波一样传播。然而，肌动球蛋白波的产生原理尚不完全清楚，通过构建理论模型，我们旨在阐明分子马达的力在细胞内空间形成周期性肌动蛋白波的机制。使用三个方程构建活性凝胶模型：(1)细胞室内肌动球蛋白流场的方程，(2)细胞骨架连续性的方程，以及(3)代表细胞形状的方程。当基于相场法建立细胞室并进行数值计算以验证是否可以再现周期性肌动蛋白波时，以肌球蛋白的收缩力和肌动蛋白纤维的聚合率作为主要参数出现了周期性肌动蛋白波。确定了条件（Phys Rev Res 2023）。

项目成果

期刊论文数量（0）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

State transitions of a confined actomyosin system controlled through contractility and polymerization rate

通过收缩性和聚合速率控制的受限肌动球蛋白系统的状态转换

DOI：
10.1103/physrevresearch.5.013208
发表时间：
2023
期刊：
Physical Review Research
影响因子：
4.2
作者：
Sakamoto Ryota;Miyazaki Makito;Maeda Yusuke T.
通讯作者：
Maeda Yusuke T.

アクティブゲルの対称性と動きの非平衡力学

活性凝胶对称性和运动的非平衡动力学

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
髙羽悠樹;池田昌司;前多裕介
通讯作者：
前多裕介

アクティブな界面摩擦と流体抵抗の幾何学的バランスが決めるアクトミオシン液滴の自発運動

由主动界面摩擦和流体阻力的几何平衡决定的肌动球蛋白液滴的自发运动

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
坂本遼太;Ziane Izri;島本勇太;宮﨑牧人;前多裕介
通讯作者：
前多裕介

Understanding the instability of intracellular organization in synthetic cell

了解合成细胞中细胞内组织的不稳定性

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
Yasuhisa Oyaa;Nao Inozume;Shiori Hirata;Naoaki Yoshida; Tatsuya Hinoki;Kiyohiro Yabuuchi;前多裕介
通讯作者：
前多裕介

力が制御するアクトミオシンの秩序転移と自律運動・変形

力控制肌动球蛋白的秩序转换和自主运动/变形

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
前多裕介;加藤修三;福山達也;前多裕介
通讯作者：
前多裕介

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前多裕介其他文献

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液-液相分离现象和润湿对细胞室内无细胞基因表达的影响

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
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加藤修三;David Garenne;Vincent Noireaux;前多裕介
通讯作者：
前多裕介

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作者：
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通讯作者：
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发表时间：
2020
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影响因子：
0
作者：
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通讯作者：
坂本遼太，前多裕介

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发表时间：
2022
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影响因子：
0
作者：
坂本遼太;Ziane Izri;島本勇太;宮﨑牧人;前多裕介;前多裕介;前多裕介;笹公和，椎根大輔，高橋努，松村万寿美，坂口綾;笹公和;笹公和;笹公和，椎根大輔，高橋努，松村万寿美，坂口綾
通讯作者：
笹公和，椎根大輔，高橋努，松村万寿美，坂口綾

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DOI：
发表时间：
2022
期刊：
Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
影响因子：
0
作者：
坂本遼太;Ziane Izri;島本勇太;宮﨑牧人;前多裕介;前多裕介;前多裕介;笹公和，椎根大輔，高橋努，松村万寿美，坂口綾
通讯作者：
笹公和，椎根大輔，高橋努，松村万寿美，坂口綾