细胞质中纳米颗粒反常扩散的研究

Intracellular transport is inevitably influenced by highly crowded cell environment. As a consequence of crowding, anomalous diffusion is commonly observed in cell. Most recently, a series experimental and numerical works reported non-Gaussan diffusion in cell. It is still unclear how the disordered cell structures influences such anomalous diffusion, while it is widely believed that structures determine functions in biology. The project intends to reveal the stochastic dynamics behind the particle trajectories and ER structures provided by in vivo imaging cell experiment. With the model of random walk in random medium as a framework, we will further study the anomalous diffusion and its relation with the large structures in the cell. This study will bridge the theories and experiments on anomalous diffusion in cell. It will extend the territory of statistical physics and help in understanding the intracellular transport and the regulation mechanism.

大分子在细胞内的反常扩散现象对大量生物功能的实现有深刻的影响。最近一系列实验报道了拥挤细胞环境中非高斯扩散、亚扩散等反常扩散现象。无序环境与这些现象，特别是非高斯扩散之间有何关系？目前尚无清晰认识。本项目以无序系统中随机行走理论为框架，建立模型研究细胞质中纳米颗粒的反常扩散行为，揭示一类真实系统中反常扩散现象的物理起源，并展示细胞大尺度结构与反常扩散现象的关系。这将拓展无序系统随机行走理论的应用范围，在反常扩散理论与实验间架起桥梁。该项研究还将帮助我们理解大分子在细胞内的被动输运及其背后的调控机制，同时为未来更系统地研究反常扩散现象与细胞内大尺度结构的关系提供范例。

动力学异质性广泛存在于无序环境中。实验上常在此类环境中观察到位移分布非高斯的扩散行为。此种反常扩散被称为非高斯扩散。一般认为其源于随着时间或者空间涨落的扩散率。已有不少工作研究时间关联的随机扩散率对扩散波包形状的影响。在此项目中，我们研究空间关联的静态无序地形上的反常扩散。..我们构建了一类空间上存在关联的静态无序地形，该地形上的随机陷阱模型(Quenched Trap Model)呈现出非高斯扩散的特征。通过对该地形上非高斯扩散的研究，我们发现了静态无序环境导致局域化的新机制。此种局域化将导致位移分布P(x,t)在x=0附近的额外尖峰。近期实验中广泛看到此类现象，我们首次给予解释，即此尖峰的出现标志着无序环境的大尺度结构的弛豫时间远大于粒子扩散追踪实验的观测时间。我们进一步研究了此类空间关联地形的粗糙程度对其上反常扩散行为的影响。我们利用粗粒化（实空间重整化）方法指出该地形在长时极限下等价于传统的随机陷阱模型。当有效温度μ < 1时，该地形上的随机行走同时呈亚扩散与非高斯扩散的特征。当μ ≥1时，随机行走在长时极限下为正常扩散。短时极限下呈非高斯扩散，其分布具有拉伸指数式的尾部结构。实验上观察异质环境中的随机行走，收集到的数据表现尾一定时间内一定数量粒子的运动轨迹。由于粒子处于环境中不同区域，轨迹之间的涨落往往较大。我们研究了各类异质无序环境中轨迹之间的涨落收敛情况，指出异质环境中变缓的各态历经恢复与非高斯现象都可以被中心极限定理解释。由于静态无序地形中局域化现象，此类地形中的各态历经恢复极为缓慢。..综上所述，本项目通过构造一类理论模型，阐明了实验上广泛观察到的非高斯扩散背后的机制。理论预言的局域化现象已在活细胞成像实验中看见，其指向关键生物过程形成。对该模型的研究澄清了空间异质的无序环境中非高斯扩散、亚扩散之间的联系，说明了在无序环境中做实验轨迹分析时轨迹间涨落的源起及其统计性质。