光学ピンセットによる細胞膜生物物理学

膜の弾性特性は、細胞の形状、運動性、分裂、および分化を調節する上で重要な役割を果たします。ここでは、細胞生物学に提供される教訓的な側面と洞察を強調し、膜表面張力と曲げ弾性率の光ピンセザー（OT）調査を確認します。OT測定では、膜に合ったミクロスフェアを使用して、テザーと名付けられた長い円筒形のナノチューブを抽出します。ヘルフリッヒ・カンハム理論は、テザー半径と平衡抽出力の観点から弾性パラメーターを生成します。それは、初期の点のような微小圏の付着を想定しており、テザー内の細胞骨格の含有量はありません。実験的な力分散曲線は、これらの仮定の違反を明らかにし、そのような矛盾の提案された説明と推奨されるOTプロトコルについて説明します。中枢神経系における主要な細胞タイプの弾性パラメーターの測定は、その値と細胞機能の間に相関をもたらします。マイクロレオロジーOT実験は、これらの相関を粘弾性パラメーターに拡張します。結果は、準統一現象現象学的スケーリング法則と一致し、ソフトガラスレオロジーモデルの観点から解釈されます。自発的に生成された細胞ナノチューブの突起も簡単にレビューされ、テザーと共通の特徴を強調します。遠方の細胞を接続し、細胞質間の移動を可能にするトンネリングナノチューブ（TNT）だけでなく、異なる種の細菌間のコミュニケーションを媒介するTNTから引っ張るテザーなど、細胞質間の移動を可能にします。バクテリア、ウイルス、プリオンを含む病原体は、感染の細胞間伝達のためにTNTを日和見的に活用し、TNTが古代の進化起源を持っていることを示しています。

Membrane elastic properties play important roles in regulating cell shape, motility, division and differentiation. Here I review optical tweezer (OT) investigations of membrane surface tension and bending modulus, emphasizing didactic aspects and insights provided for cell biology. OT measurements employ membrane-attached microspheres to extract long cylindrical nanotubes named tethers. The Helfrich-Canham theory yields elastic parameters in terms of tether radius and equilibrium extraction force. It assumes initial point-like microsphere attachment and no cytoskeleton content within tethers. Experimental force-displacement curves reveal violations of those assumptions, and I discuss proposed explanations of such discrepancies, as well as recommended OT protocols. Measurements of elastic parameters for predominant cell types in the central nervous system yield correlations between their values and cell function. Micro-rheology OT experiments extend these correlations to viscoelastic parameters. The results agree with a quasi-universal phenomenological scaling law and are interpreted in terms of the soft glass rheology model. Spontaneously-generated cell nanotube protrusions are also briefly reviewed, emphasizing common features with tethers. Filopodia as well as tunneling nanotubes (TNT), which connect distant cells and allow transfers between their cytoplasms, are discussed, including OT tether pulling from TNTs which mediate communication among bacteria, even of different species. Pathogens, including bacteria, viruses and prions, opportunistically exploit TNTs for cell-to-cell transmission of infection, indicating that TNTs have an ancient evolutionary origin.