アクティブネマティクスと細胞の挙動に関する新しいインサイト

細胞は生物の基本的な部分で、色々な形や形状がある。それぞれの形には特定の役割や行動があって、その形を決めるルールを理解するのは簡単じゃない。この研究では、生物の構造を模した新しいビルディングブロックを作る。これは、特別な液晶が入った楕円形の液滴を、細胞の内構造のように振る舞うタンパク質ベースのゲルで包むことで実現する。これで、コアとシェルをもつ構造が得られる。

液晶のユニークなテクスチャーや形を使って、アクティブ素材の振る舞いをコントロールできる。私たちは、この素材の欠陥が時間と共に移動の仕方を変える新しい状態を発見し、回転と直線移動を切り替えることができることを見つけた。シミュレーションによると、この素材の動きは液滴の形や外部の力に大きく影響され、これが生物学的なプロセスを理解するのに役立ち、自然に触発された小さな機械の新しいデザインにつながる可能性がある。

#背景

アクティブネマティクスは、細長い自己移動するユニットからできた材料だ。これらの材料は、発達中の繊維がどう変化するかや、細菌の集団がどう一緒に動くかを学ぶ手助けをしてくれる。液晶用に開発されたフレームワークを使って、生物システムに応用できる。

ネマティック欠陥は、通常の秩序が壊れているポイントだ。これらの欠陥は、細胞が個別またはグループでどう機能するかに重要だ。ただし、これらの欠陥が周囲とどう相互作用して特定の結果を生むかはまだ正確にはわかっていない。実験室の設定では、アクティブネマティクスはこれらの相互作用を研究するための良いモデルを提供する。摩擦や表面のテクスチャ、閉じ込めといった力を使って、欠陥の動きや材料内の流れのパターンをコントロールできるので、生物システムに触発された機械の設計に新しい洞察を提供してくれる。ただし、曲面が欠陥に与える影響の研究は、制御された実験を作成するのが難しいためあまり行われていない。

以前の研究では、一定の曲面が微小管とキネシンモーターからなる一種のアクティブネマティクスにどのように影響するかを調べていた。これらのモーターは繊維の束を動かすのを助け、二次元のフィールドを作る。これらの材料を球面上に置くと、欠陥が無秩序に振る舞った。ただし、アクティブネマティクスを球面に制限することで、研究者は欠陥が予測可能に動く、より秩序だった動的状態を作ることができた。研究では、活性が高いときに渦や回転バンドのような新しい流れのパターンが現れると予測している。

曲率の勾配が導入されると、さらに複雑な動きが生じる。不均一な曲率のある表面では、欠陥が似たような曲率のある場所に向かう傾向があるか、特定の条件下では分離することもある。これらの動きは、アクティブシステムの動作を大きく変える可能性がある。たとえば、細長い液滴の場合、曲率により、欠陥が極に集まり回転運動を生むことができる。以前のトロイダル液滴の実験ではこれらの効果が示されたが、液滴のサイズが欠陥同士の典型的な距離よりも大きかった。そのため、多くの欠陥が無秩序な動きを生み出し、秩序だったパターンは見られなかった。

この研究では、液晶の特性を使ってアクティブネマティクスを研究するのに適したサイズの楕円形液滴を作る。その液滴を微小管とキネシンモーターからなるアクティブバスに置くことで、液滴の表面でアクティブ層を安定させる。この設定で、私たちはトポロジカル欠陥のペアの振動によって制御される、異なる動きを持つ2つの新しい動的状態を観察する。

#アクティブネマティクスの構築

#スメクティック楕円形液滴の作成

私たちのアクティブネマティクスは、キネシンモーターで動かされる微小管束でコーティングされた、8CBという液晶の細長い液滴からできている。これらの液滴を作成するために、加熱時に水と8CBの二重乳剤を分解させて、楕円形の形状を形成する特別なプロセスを使用する。

液滴は、8CBが特定の相にあるときに形成される必要がある。温度が下がると、遷移が起こり、二重乳剤が楕円形の液滴に分解される。通常、この方法で形成された液滴は球形になるが、液滴を形成する前の液体の構造の仕方が、液滴にこの異常な形を持たせる。

得られた楕円形の液滴は、長くは安定せず、約48時間後に球形に変わるが、私たちの実験には十分な安定性を保つ。我々の研究では、アクティブネマティクスの特性を観察できる特定のサイズの液滴に焦点を当てている。異なる種類の照明の下で、これらの液滴は液体の組織がどのように構成されているかを示す特定のラインを持つ構造を明らかにし、流れの方向が変わる場所を示している。

#液滴にアクティブ素材を追加

アクティブネマティクスを作るために、楕円形液滴を微小管とキネシンモーターからなるアクティブゲルに混ぜる。このゲルは微小管を結びつけて動かすのを助け、過去の方法とは異なり、アクティブゲルは液滴を囲む形で存在する。微小管は液滴の界面に徐々に集まり、アクティブ層を形成する。

アクティブゲルをガラスの毛細管に混ぜると、液滴の挙動を観察することができる。モーターを動かし続けるための一定のエネルギー源が提供され、連続的な動きを可能にする。数分間混ぜた後、液滴の表面周りに微小管が形成されるのが見える。

時間が経つにつれて、アクティブ素材が表面に蓄積され、組織化されたテクスチャーと流れが生まれる。二つの主要な状態が現れ、四重極状態と最終的な双極状態が、それぞれ異なるパターンと流れを持っている。

#動的状態

#四重極状態

実験の最初の2時間後、アクティブ素材が十分に蓄積されて組織化された動的状態が形成される。このシステムは動きのパターンが明確に切り替わる。欠陥は、この状態で定期的に回転パターンと表面に沿って動くパターンの間を行き来する。

回転状態では、欠陥のペアが液滴の極に位置し、他の欠陥のバンドが赤道周りに現れる。極にいる欠陥は、弾性力が働く中で円形の道を描きながら分かれたままでいる。見られるパターンは液晶の構造と一致し、鏡のような対称性を示している。

しかし、これらのアクティブネマティクスは不安定性に陥りやすく、欠陥の振る舞いが変化することがある。このフェーズでは、欠陥が極から極に移動し、新しい流れのパターンを生むことがある。動的な挙動は時間をかけて繰り返され、アクティブ素材が引き続き蓄積されるにつれて周期的な動きが見られる。

#双極状態

実験が進むにつれて、液滴上のアクティブ素材の量が安定し、動きは最終的な双極状態に移行する。この状態では、2つのペアの欠陥だけが動き、その振る舞いは以前よりも混沌とはしていない。この状態の大きな違いは、極にいる欠陥が逆方向に回転することで、双極パターンを作り出すことだ。

欠陥が回転と直進の間を切り替える際、構成はより組織的な構造を保持し、赤道のベルト状の欠陥を必要としなくなる。この最終的な状態は、アクティブ素材の剛性が増すことで安定を保つ。欠陥は主に極に集まり、液滴の形に基づく欠陥が見つかる可能性の高い場所に関する以前の予測を確認する。

#欠陥の動きの理解

#曲率と力の結合

実験で観察された最終状態は、曲率が欠陥の動きに与える影響を探るシミュレーションによって支えられている。アクティブな力がない場合、欠陥はエネルギーを最小化するために極でペアを形成する。活動が増加すると、欠陥は混沌とした動きを示し、極に向かって移動し、組織的な流れのパターンを見せる。

シミュレーションはまた、欠陥が曲率が最も高い場所の近くに留まることを好むことを明らかにしている。欠陥が移動する際、方向を変えるが回転の感覚を保持し、液滴の表面との相互作用に基づいて異なる動きのタイプを生じる。

#摩擦の役割

摩擦の存在も、欠陥の挙動に重要な役割を果たす。シミュレーションで減衰力を追加することで、摩擦が材料を安定化させ、混沌とした流れのパターンを防ぐのに役立つ様子を見ることができる。摩擦が不均一なシナリオでは、流れの組織的なレーンが形成され、摩擦力がアクティブネマティクスの振る舞いを導くことを示している。

#結論

この研究は、楕円形のアクティブネマティクスを使うことで複雑な生物学的プロセスを理解できることを示している。欠陥の動態と曲率、さらに摩擦の影響の相互作用が、これらのシステムにおもしろい動きをもたらす。これらの要因を制御することで、生物システムに見られる組織された動的パターンを生み出すことができ、自然を模倣した小さな機械の設計に役立つ可能性がある。

これらの材料を探求し続けることで、細胞がどのように機能するのか、その原則を実用的な応用に活かす方法について、より深い洞察が得られる。これらの発見は、生物システムの原則に基づいた高度な材料や技術を作り出すための新しい方法を刺激する可能性を秘めている。