生体高分子線維形状シミュレーションによるエントロピー弾性の検討  [in Japanese] Investigation of entropy elasticity by shape simulation of biopolymer  [in Japanese]

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Abstract

<p>【背景】細胞外マトリクスのコラーゲンやエラスチン線維、細胞骨格のアクチン線維またはDNAなどの生体高分子線維は生体構造の主要な構成要素である。生体高分子線維は細胞の力学的環境や力学的状態に寄与しており,細胞の分化や遊走に影響を及ぼす。【目的】生体高分子線維の形状シミュレーションにより、そのエントロピー弾性を検討する。【方法】線維の形状を微小な直線ステップのマルコフ連鎖と考え、モンテカルロ法を用いて形状の模擬を行う。さらに線維の末端間距離を求めその出現確率からエントロピー弾性を求めた。シミュレーションでは持続長が範囲20μmから1000μmまで、線維長が持続長の0.2倍から10倍までをそれぞれ7つをセッチングし、計49種の半屈曲性線維に対して行った。なお,ステップ長は1μmである。【結果】上記49種類の半屈曲性線維のシミュレーションにより、末端間距離の出現確率は末端間距離と線維長の比が0.99~1.00の範囲内に最大値が現れた。よって、線維のエントロピー弾性には圧縮力領域と引張力領域があり、引張力の最大値は屈曲性高分子ポリマーより著しく小さいことを分かった。また本研究では、圧縮力領域と引張力領域との転換点におけるエントロピー弾性力がゼロであることについて、実験シミュレーションも行った。</p>

<p>Mechanical properties of biopolymers, such as actin filaments, collagen and elastin fibers, are critically important for cell biology because they determine the mechanical status of the cells or their environment. To investigate the entropic elasticity of biopolymers, we regarded a biopolymer as a Markov chain composed of multiple minute linear steps and simulated its 3D contour using the Monte Carlo method. It was found that the occurrence probability of the end-to-end distance presented a maximum for such a chain. The maximum appeared at the range of 0.99 to 1.00 as coordinated by the ratio of the end-to-end distance to the contour length. Therefore, the entropic elasticity of the biopolymers had a compressive force region and a tensile force region. The transition of tensile to compression was also simulated by experiments on synthetic polymer threads. </p>

Journal

  • Transactions of Japanese Society for Medical and Biological Engineering

    Transactions of Japanese Society for Medical and Biological Engineering Annual56(Abstract), S261-S261, 2018

    Japanese Society for Medical and Biological Engineering

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