Controle van de stroomsnelheden van 3D-actieve vloeistoffen op basis van microtubulus met behulp van temperatuur

Actieve materie wordt onderscheiden van conventionele passieve materie vanwege zijn vermogen om chemische energie om te zetten in mechanisch werk. Een materiaal dat dergelijke capaciteiten bezit, kan bestaan uit levende of niet-levende wezens zoals bacteriën, insecten, colloïden, granen en cytoskelet filamenten^{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}. Deze materiële entiteiten communiceren met hun buren. Op grotere schaal organiseren ze zichzelf in turbulente-wervelingen (actieve turbulentie) of materiaalstromen^{11,12,13,14,15,16,17,18,19,20}. Een goed begrip van de zelforganisatie van de actieve materie heeft geleid tot verschillende toepassingen in moleculaire shuttles, optische apparaten en parallelle berekening^21,22,23. Om toepassingen naar het volgende niveau te brengen, is controle buiten zelforganisatie vereist. Palacci et al. ontwikkelde bijvoorbeeld een colloïde met hematiet-omhulde die zelfrijdend was bij blootstelling aan handmatig gecontroleerd blauw licht, wat leidde tot het ontstaan van levende kristallen²⁴. Morin et al. richtte de controle op rollende Quincke colloïden op met behulp van een afstembare externe elektrische veld, resulterend in colloïdale massaal in een race track-achtige kanaal²⁵. Deze eerdere werken tonen de rol van lokale controle in toepassingen aan en geven de kennisbasis van de actieve materie door.

In dit artikel richten we ons op de bestuurbaarheid van kinesin-driven, microtubulus (MT)-gebaseerde 3D-actieve vloeistoffen. De vloeistoffen bestaan uit drie hoofdbestanddelen: MTs, kinesin moleculaire motoren, en depletanten. De depletie induceren een uitputting kracht om de MTs te bundelen, die later overbrugd worden door motor clusters. Deze motoren lopen langs de MTstoward het plus-uiteinde. Wanneer een paar overbrugd mtsis Antiparallel, lopen de corresponderende motoren in tegengestelde richtingen. Echter, de motoren zijn gebonden in een cluster en zijn niet in staat om uit elkaar te lopen, zodat ze coöperatief glijden paren van MTs (interfilament glijden, Figuur 1a). Deze schuif dynamiek accumuleren, waardoor bundels van MTsto zich uitstrekken tot hun knik instabiliteit punt en breken (extensile bundels, Figuur 1B)²⁶. De gebroken bundels worden gegloeid door de depletie kracht, die zich vervolgens weer uitstrekt, en de dynamiek herhaling. Tijdens het proces van de herhalende dynamiek roeren de bundel bewegingen de nabijgelegen vloeistof, inducerende stromen die kunnen worden gevisualiseerd door middel van doping met micron-schaal tracers (Figuur 1C). Sanchez et al. en Henkin et al. hebben de gemiddelde snelheden van tracers gekarakteriseerd, bevinding dat de snelheden afstelbaar waren door de concentraties van adenosinetrifosfaat (ATP), depletanten, motor clusters en MTs^19,27te variëren. Echter, dergelijke tunability bestond alleen vóór de actieve vloeistof synthese. Na de synthese ging de toenability verloren en de vloeistoffen zelf organiseerden ze op hun eigen manier. Om actieve vloeistof activiteit na synthese te regelen, rapporteerde Ross.et al. een methode met behulp van de lichtgeactiveerde door dimerisatie van motor eiwitten, waardoor vloeistof activiteit in-en uitgeschakeld kan worden met behulp van licht²⁸. Terwijl lichtsturing handig is in termen van het lokaal activeren van de vloeistoffen, vereist de methode het herontwerpen van de structuren van motor eiwitten, samen met het wijzigen van de optische paden in een microscoop. Hier bieden we een eenvoudig te gebruiken methode voor het lokaal beheersen van vloeistofstromen zonder Microscoop modificatie, terwijl de motorische structuur intact blijft.

Onze methode voor het lokaal afstemmen van de actieve vloeistofstroom is gebaseerd op de Arrhenius-wet omdat de kinesin-MT-reactie is gemeld te verhogen met temperatuur^29,30,31,32. Onze eerdere studies toonden aan dat de temperatuurafhankelijkheid van de gemiddelde snelheid van een actieve vloeistofstroom de Arrhenius-vergelijking volgde: v = a exp (-E_A/RT), waarbij a een pre-exponentiële factor is, R de gasconstante is, E_A de activeringsenergie, en T de systeemtemperatuur³³. Daarom is de vloeistof activiteit gevoelig voor de temperatuur omgeving en moet de systeemtemperatuur consistent zijn om de motorprestaties te stabiliseren, en bijgevolg de vloeistofstroom snelheid³⁴. In dit artikel demonstreren we het gebruik van de temperatuurafhankelijkheid van de motor om de stroomsnelheden van actieve vloeistoffen continu af te stemmen door de systeemtemperatuur aan te passen. We demonstreren ook de bereiding van een actief vloeistofmonster, gevolgd door het monteren van het monster op een Microscoop-fase waarvan de temperatuur via computer software wordt geregeld. Het verhogen van de temperatuur van 16 °C tot 36 °C versnelt de gemiddelde stromingssnelheid van 4 tot 8 μm/s. Bovendien is de instelbaarheid omkeerbaar: herhaaldelijk verhogen en verlagen de temperatuur sequentieel versnelt en vertraagt de stroom. De Gedemonstreerde methode is toepasbaar op een breed scala van systemen waarbij de belangrijkste reacties gehoorzamen aan de Arrhenius wet, zoals de MT gliding assay^29,30,31,32.