Steuerung der Durchflussgeschwindigkeiten von Mikrotubuli-basierten 3D-Aktivflüssigkeiten mithilfe der Temperatur

Aktive Materie unterscheidet sich von konventioneller Passivmaterie aufgrund ihrer Fähigkeit, chemische Energie in mechanische Arbeit umzuwandeln. Ein Material, das eine solche Fähigkeit besitzt, kann aus lebenden oder nicht lebenden Wesen wie Bakterien, Insekten, Kolloiden, Körnern und Zytoskelettfilamenten^{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}. Diese materiellen Entitäten interagieren mit ihren Nachbarn. In größerem Maßstab organisieren sie sich entweder in turbulenten Wirbeln (aktive Turbulenzen) oder Materialflüsse^{11,12,13,14,15,16,17,18,19,20}. Ein Verständnis der Selbstorganisation von aktiver Materie hat zu verschiedenen Anwendungen in molekularen Shuttles, optischen Geräten und paralleler Berechnung^21,22,23geführt. Um Anwendungen auf die nächste Stufe zu bringen, bedarf es einer Kontrolle über die Selbstorganisation hinaus. Zum Beispiel entwickelten Palacci et al. ein Hämatit-verkapseltes Kolloid, das nur selbstgetrieben wurde, wenn es manuell kontrolliertem blauem Licht ausgesetzt wurde, was zur Entstehung lebender Kristalle führte²⁴. Morin et al. etablierten die Steuerung der rollenden Quincke-Kolloide durch die Verwendung eines abstimmbaren externen elektrischen Feldes, was zu kolloidalen Beflockungen in einem Rennstrecken-ähnlichen Kanal²⁵führte. Diese früheren Arbeiten zeigen die Rolle der lokalen Kontrolle in Anwendungen und fördern die Wissensbasis der aktiven Materie.

In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf die Steuerbarkeit von kinesingetriebenen, mikrotubuli (MT)-basierten 3D-Aktivflüssigkeiten. Die Flüssigkeiten bestehen aus drei Hauptkomponenten: MTs, Kinesin-Molekularmotoren und Depletanten. Die Erschöpfungskräfte induzieren eine Erschöpfungskraft, um die MTs zu bündeln, die später durch Motorcluster überbrückt werden. Diese Motoren laufen entlang der MTsgegenüber des Plus-Ends. Wenn ein Paar überbrückte MTsis antiparallel, die entsprechenden Motoren gehen in entgegengesetzte Richtungen. Die Motoren sind jedoch in einem Cluster gebunden und können nicht auseinandergehen, so dass sie kooperative MT-Paare auseinanderschieben (Interfilament-Gleiten, Abbildung 1A). Diese Gleitdynamik akkumuliert, wodurch sich die MTsto-Bündel bis zum Erreichen ihres Knickinstabilitätspunkts ausdehnen und brechen (Extensile-Bündel, Abbildung 1B)²⁶. Die gebrochenen Bündel werden durch die Erschöpfungskraft geglüht, die sich anschließend wieder ausdehnt, und die Dynamik wiederholt sich. Während des Prozesses der sich wiederholenden Dynamik rühren die Bündelbewegungen die nahe flüssigkeitsnahe und induzierenden Ströme, die durch Doping mit Mikron-Tracern visualisiert werden können (Abbildung 1C). Sanchez et al. und Henkin et al. haben die mittleren Geschwindigkeiten von Tracern charakterisiert und festgestellt, dass die Geschwindigkeiten durch Variation der Konzentrationen von Adenosintriphosphat (ATP), Depletanten, Motorclustern und MTs^19,27abstimmbar waren. Eine solche Tunabilität existierte jedoch erst vor der aktiven Flüssigkeitssynthese. Nach der Synthese ging die Tunability verloren und die Flüssigkeiten selbst organisiert auf ihre eigene Weise. Um die aktive Flüssigkeitsaktivität nach der Synthese zu steuern, berichtete Ross.et al. über eine Methode, bei der die lichtaktivierte Dimerisierung von motorischen Proteinen verwendet wurde, so dass die Flüssigkeitsaktivität mit Licht²⁸ein- und ausgeschaltet werden konnte. Während die Lichtsteuerung in Bezug auf die lokale Aktivierung der Flüssigkeiten praktisch ist, erfordert die Methode eine Neugestaltung der Strukturen von motorischen Proteinen sowie die Änderung der optischen Pfade im Mikroskop. Hier bieten wir eine einfach zu bedienende Methode zur lokalen Steuerung von Flüssigkeitsströmen ohne Mikroskopmodifikation unter Beibehaltung der Motorstruktur.

Unsere Methode der lokalen Abstimmung des aktiven Flüssigkeitsflusses basiert auf dem Arrhenius-Gesetz, da die Kinesin-MT-Reaktion mit der Temperatur^29,30,31,32zunimmt. Unsere früheren Studien zeigten, dass die Temperaturabhängigkeit der mittleren Geschwindigkeit eines aktiven Flüssigkeitsflusses der Arrhenius-Gleichung folgte: v = A exp(-E_a/RT), wobei A ein präexponentieller Faktor ist, R die Gaskonstante ist, E_a die Aktivierungsenergie und T die Systemtemperatur³³. Daher ist die Flüssigkeitsaktivität empfindlich auf die Temperaturumgebung, und die Systemtemperatur muss konsistent sein, um die Motorleistung und damit die Flüssigkeitsdurchflussgeschwindigkeit³⁴zu stabilisieren. In diesem Artikel zeigen wir die Verwendung der Temperaturabhängigkeit des Motors, um die Fließgeschwindigkeiten von aktiven Flüssigkeiten kontinuierlich zu optimieren, indem die Systemtemperatur eingestellt wird. Wir zeigen auch die Herstellung einer aktiven Flüssigkeitsprobe, gefolgt von der Montage der Probe auf einer Mikroskopstufe, deren Temperatur über Computersoftware gesteuert wird. Die Erhöhung der Temperatur von 16 °C auf 36 °C beschleunigt die mittleren Durchflussgeschwindigkeiten von 4 auf 8 m/s. Zusätzlich ist die Tunbarkeit reversibel: Immer wieder erhöht und verringert die Temperatur sequentiell beschleunigt und verlangsamt den Durchfluss. Die demonstrierte Methode ist auf eine Breite von Systemen anwendbar, bei denen die Hauptreaktionen dem Arrhenius-Gesetz gehorchen, wie z. B. der MT-Gleittest^29,30,31,32.