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．

This year's artificial cell drops of self-movement Force Transmission Microscopy was developed to visualize the origin of the self-propagating motion and the distribution of light between the droplets and the substrate. A theoretical framework for the determination of the velocity of fluid flow and the dependence of the velocity of fluid flow on the friction at the interface between the fluid flow and the droplet flow is proposed. The dynamics of non-continuous motion using the above mentioned conditions are clear. Second, artificial cells are constrained to form bone structures. In fact, the conditions for the increase of contraction force accompanied by the change of flow and wave shape are shown. The results of this study are described in detail below. The theoretical analysis shows that the wave motion of the flow field decreases the convergence force and the coincidence velocity decreases the convergence force. This prediction is based on a qualitative analysis of the theoretical predictions and the validity of the theory. The liquid droplet interface is strong, and the center of the liquid droplet is strong. The conditions for the occurrence of the echo wave are explained in detail, and the echo wave is generated in the initial stage. The results of this study were theoretically reproduced in the initial stages of the study. The theoretical analysis results show that the initial contraction time is not stable, but the final contraction time is stable. The above is a description of the mechanism of symmetry and multi-color non-equilibrium structure.

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

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

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

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

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

细胞对称性核心的拉锯战