Contrôle des vitesses de débit des fluides actifs 3D à base de microtubules à l'aide de la température

La matière active est différenciée de la matière passive conventionnelle en raison de sa capacité à convertir l’énergie chimique en travaux mécaniques. Un matériau qui possède une telle capacité peut consister en des entités vivantes ou non vivantes telles que les bactéries, les insectes, les colloïdes, les grains et les filaments cytosquelettiques^{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}. Ces entités matérielles interagissent avec leurs voisins. À plus grande échelle, ils s’auto-organisent en tourbillons turbulents (turbulence active) ou flux matériels^{11,12,13,14,15,16,17,18,19,20}. Une compréhension de l’auto-organisation de la matière active a conduit à diverses applications dans les navettes moléculaires, dispositifs optiques, et le calcul parallèle^21,22,23. Pour amener les applications au niveau suivant, il faut contrôler au-delà de l’auto-organisation. Par exemple, Palacci et coll. ont mis au point un colloïd encapsulé par hématite qui n’est automoteur que lorsqu’il est exposé à la lumière bleue contrôlée manuellement, ce qui a mené à l’émergence de cristaux vivants²⁴. Morin et coll. ont établi le contrôle des colloïdes Quincke roulants à l’aide d’un champ électrique externe réglable, ce qui a entraîné un affluement colloïdal dans un canal de course²⁵. Ces travaux antérieurs démontrent le rôle du contrôle local dans les applications et font progresser la base de connaissances de la matière active.

Dans cet article, nous nous concentrons sur la contrôlabilité des fluides actifs 3D à base de microtubule (MT) à base de kinésie. Les fluides se composent de trois composants principaux : les TM, les moteurs moléculaires de kinésie et les appauvrissements. Les appauvrissements induisent une force d’épuisement pour empaqueter les MT, qui sont plus tard comblés par des groupes moteurs. Ces moteurs marchent le long de la MTstoward l’extrémité plus. Lorsqu’une paire de MTsis pontée antiparallèle, les moteurs correspondants marchent dans des directions opposées. Cependant, les moteurs sont liés dans un cluster et sont incapables de marcher à part, de sorte qu’ils glissent en collaboration à part les paires de MTs (glissement interfilament, Figure 1A). Ces dynamiques de glissement s’accumulent, causant des faisceaux de MTsto s’étendre jusqu’à atteindre leur point d’instabilité et de rupture (faisceaux extésiles, Figure 1B)²⁶. Les faisceaux cassés sont annealed par la force d’épuisement, qui s’étend par la suite encore, et la dynamique se répète. Pendant le processus de la dynamique de répétition, les mouvements de faisceau remuer le liquide voisin, induisant des flux qui peuvent être visualisés par le dopage avec des traceurs à l’échelle micron (Figure 1C). Sanchez et coll. et Henkin et coll. ont caractérisé les vitesses moyennes des traceurs, constatant que les vitesses étaient réglables en variant les concentrationsde triphosphate d’adénosine (ATP), d’épuisements, de grappes motrices et de MT1,²⁷. Cependant, une telle tunability n’existait qu’avant la synthèse active des fluides. Après synthèse, l’amaigrabilité a été perdue, et les fluides auto-organisés à leur manière. Pour contrôler l’activité active des fluides après synthèse, Ross.et al. a signalé une méthode utilisant la dimérisation activée par la lumière des protéines motrices, permettant à l’activité des fluides d’être réglée et désactivée à l’aide de la lumière²⁸. Alors que le contrôle de la lumière est pratique en termes d’activation locale des fluides, la méthode nécessite de repenser les structures des protéines motrices, ainsi que de modifier les trajectoires optiques dans un microscope. Ici, nous fournissons une méthode facile à utiliser pour contrôler localement les flux de fluides sans modification de microscope tout en gardant la structure du moteur intacte.

Notre méthode de régler localement le flux de fluide actif est basée sur la loi Arrhenius parce que la réaction kinesin-MT a été rapportée pour augmenter avec la température^29,30,31,32. Nos études précédentes ont montré que la dépendance à la température de la vitesse moyenne d’un flux de fluide actif a suivi l’équation D’Arrhenius: v – A exp(-E_a/RT), où A est un facteur pré-exponentiel, R est la constante du gaz, E_a est l’énergie d’activation, et T est la température du système³³. Par conséquent, l’activité des fluides est sensible à l’environnement de température, et la température du système doit être cohérente pour stabiliser les performances du moteur, et par conséquent, la vitesse d’écoulement du fluide³⁴. Dans cet article, nous démontrons l’utilisation de la dépendance à la température du moteur pour régler en permanence les vitesses d’écoulement des fluides actifs en ajustant la température du système. Nous démontrons également la préparation d’un échantillon actif de fluide, suivi par le montage de l’échantillon sur une étape de microscope dont la température est commandée par l’intermédiaire du logiciel d’ordinateur. L’augmentation de la température de 16 à 36 oC accélère la vitesse moyenne d’écoulement de 4 à 8 m/s. De plus, l’advisibilité est réversible : augmenter et diminuer à plusieurs reprises la température accélère et ralentit séquentiellement le débit. La méthode démontrée s’applique à un large éventail de systèmes où les principales réactions obéissent à la loi Arrhenius, comme l’assay MT^29,30,31,32.