Equilibrium and out-of-equilibrium mechanics of living mammalian cytoplasm

细胞质 微流变学 热涨落 均方位移 布朗运动 热平衡 机械 物理 光学镊子 剪切模量 经典力学 生物物理学 化学 流变学 热力学 生物 分子动力学 量子力学 生物化学
作者
Satish Kumar Gupta,Ming Guo
出处
期刊:Journal of The Mechanics and Physics of Solids [Elsevier BV]
卷期号:107: 284-293 被引量:47
标识
DOI:10.1016/j.jmps.2017.07.007
摘要

Living cells are intrinsically non-equilibrium systems. They are driven out of equilibrium by the activity of the molecular motors and other enzymatic processes. This activity along with the ever present thermal agitation results in intracellular fluctuations inside the cytoplasm. In analogy to Brownian motion, the material property of the cytoplasm also influences the characteristics of these fluctuations. In this paper, through a combination of experimentation and theoretical analysis, we show that intracellular fluctuations are indeed due to non-thermal forces at relatively long time-scales, however, are dominated solely by thermal forces at relatively short time-scales. Thus, the cytoplasm of living mammalian cells behaves as an equilibrium material at short time-scales. The mean square displacement of these intracellular fluctuations scales inversely with the cytoplasmic shear modulus in this short time-scale equilibrium regime, and is inversely proportional to the square of the cytoplasmic shear modulus in the long time-scale out-of-equilibrium regime. Furthermore, we deploy passive microrheology based on these fluctuations to extract the mechanical property of the cytoplasm at the high-frequency regime. We show that the cytoplasm of living mammalian cells is a weak elastic gel in this regime; this is in an excellent agreement with an independent micromechanical measurement using optical tweezers.
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