ナノロロジーとドッペルゲンガーシミュレーションによって明らかにされた細胞質拡散速度の広大な不均一性

細胞質は、生物物理学的特性が細胞骨格ダイナミクス、相分離、幹細胞の運命などの重要な細胞プロセスを調節する複雑で混雑した積極的な駆動環境です。これらの細胞質特性の分散についてはほとんど知られていない。ここでは、遺伝的にエンコードされた多量体40 nmナノ粒子（GEM）に粒子追跡ナノロロジーを使用して、分裂酵母の細胞質内の拡散を測定しました。個々のGEM粒子の見かけの拡散係数は400倍の範囲で変化し、個々の細胞間の平均粒子拡散率の違いが10倍範囲に及ぶことがわかりました。この不均一性の起源を決定するために、各実験トラックとセルが1対1の対応を持っていたように、粒子ごとの基底で実験統計を複製するGEM拡散の確率的シミュレーションを使用するドッペルゲンガーシミュレーションアプローチを開発しました。シミュレートされたカウンターパートで。これらのシミュレーションは、拡散率の大きな細胞内および細胞間変動は、実験的な変動によっては説明できないが、細胞質粘度の広い細胞内および細胞間変動を仮定する確率モデルでのみ再現できることを示しました。粘度の細胞内変動と細胞間変動を組み合わせたシミュレーションは、実験データと一致して、GEM拡散の弱い非節性性も予測しました。この変動の起源を調べるために、GEM拡散率の分散は、温度、細胞骨格効果、細胞周期段階、空間位置などの要因に大きく依存しているが、高浸透圧ショックによって拡大されたことがわかりました。まとめると、我々の結果は、細胞質が「よく混ざっている」のではなく、40 nmのサイズスケールでの細胞内成分が個々のセル内の有効粘度を劇的に異なる効果的な粘度を経験する非常に不均一な環境を表しているという印象的なデモを提供します。遺伝的に同一の集団の異なる細胞で。これらの発見は、細胞レベルおよび細胞内レベルでの生物学的騒音の起源と調節に大きな意味を持ちます。

The cytoplasm is a complex, crowded, actively-driven environment whose biophysical characteristics modulate critical cellular processes such as cytoskeletal dynamics, phase separation, and stem-cell fate. Little is known about the variance in these cytoplasmic properties. Here, we employed particle-tracking nanorheology on genetically encoded multimeric 40-nm nanoparticles (GEMs) to measure diffusion within the cytoplasm of the fission yeast Schizosaccharomyces pombe. We found that the apparent diffusion coefficients of individual GEM particles varied over a 400-fold range, while the differences in average particle diffusivity among individual cells spanned a 10-fold range. To determine the origin of this heterogeneity, we developed a Doppelgänger Simulation approach that uses stochastic simulations of GEM diffusion that replicate the experimental statistics on a particle-by-particle basis, such that each experimental track and cell had a one-to-one correspondence with their simulated counterpart. These simulations showed that the large intra- and inter-cellular variations in diffusivity could not be explained by experimental variability but could only be reproduced with stochastic models that assume a wide intra- and inter-cellular variation in cytoplasmic viscosity. The simulation combining intra- and inter-cellular variation in viscosity also predicted weak non-ergodicity in GEM diffusion, consistent with the experimental data. To probe the origin of this variation, we found that the variance in GEM diffusivity was largely independent of factors such as temperature, cytoskeletal effects, cell cycle stage and spatial locations, but was magnified by hyperosmotic shocks. Taken together, our results provide a striking demonstration that the cytoplasm is not "well-mixed" but represents a highly heterogeneous environment in which subcellular components at the 40-nm size- scale experience dramatically different effective viscosities within an individual cell, as well as in different cells in a genetically identical population. These findings carry significant implications for the origins and regulation of biological noise at cellular and subcellular levels.