FRAPで生細胞における分子速度を決定するための改善された数学的アプローチ

生細胞および核内の不溶性分子足場に関連する分子の結合定数と拡散係数の推定は、数学的モデリングと組み合わせて光退色（FRAP）後の蛍光回復の使用により促進されています。過去の数学的治療で見落とされてきたFRAP実験に固有の重要な特徴は、「平衡制約」の存在です。光退色は分子を機能的に破壊しないため、微分粉砕が平衡速度で拘束力をかけないため、局所的な動的平衡は乱されません。ここでは、生細胞で行われたFRAP研究における分子反応速度のより正確な推定を提供する平衡制約の下での改善された数学的定式化について説明します。平衡制約が組み込まれるため、元の非線形速度項は線形になり、輸送方程式の分析解を可能にし、推定プロセスを大幅に簡素化します。数学的モデリングとスケーリング分析に基づいて、レート制限ステップを描写するために使用できる2つの実験測定が特定されています。結合違反と拡散との相互作用の包括的な分析、および回復曲線への影響が提示されています。この研究は、生細胞の構造的複雑さ内で分子動力学の研究を明確にするのに役立つかもしれません。

The estimation of binding constants and diffusion coefficients of molecules that associate with insoluble molecular scaffolds inside living cells and nuclei has been facilitated by the use of Fluorescence Recovery after Photobleaching (FRAP) in conjunction with mathematical modeling. A critical feature unique to FRAP experiments that has been overlooked by past mathematical treatments is the existence of an 'equilibrium constraint': local dynamic equilibrium is not disturbed because photobleaching does not functionally destroy molecules, and hence binding-unbinding proceeds at equilibrium rates. Here we describe an improved mathematical formulation under the equilibrium constraint which provides a more accurate estimate of molecular reaction kinetics within FRAP studies carried out in living cells. Due to incorporation of the equilibrium constraint, the original nonlinear kinetic terms become linear allowing for analytical solution of the transport equations and greatly simplifying the estimation process. Based on mathematical modeling and scaling analysis, two experimental measures are identified that can be used to delineate the rate-limiting step. A comprehensive analysis of the interplay between binding-unbinding and diffusion, and its effect on the recovery curve, are presented. This work may help to bring clarity to the study of molecular dynamics within the structural complexity of living cells.