运用多尺度方法来探索细胞黏着斑对加载的记忆性行为

Focal adhesion is one of the key structures in cellular mechano-sensing and -transduction. Its underlying mechanisms have attracted tremendous scientific attentions. Force spectroscopy of single molecules revealed that the lifetime of a catch bond can be strongly influenced by the loading history and a varied force highly increased the bond lifetime. We then ask if the behavior of a focal adhesion also depends on loading history and how it depends? According to the plasticity theory, the material behavior depends on loading history when it is yielded. Meanwhile, some engineering materials, such as shape memory polymers, also manifest with a memory. What is the difference among them? How to formulate the load history dependence of focal adhesions? To answer these intriguing questions, here we propose to probe the load history dependence of focal adhesion at different length scales with multi-scale methods. The work will provide important insights into various biological processes, including cell adhesion, cell migration, etc.

实验表明细胞黏着斑参与感知力学信号并能够作出响应，其相应机理是当前研究的热点问题之一。单分子实验表明构成黏着斑的某种逆锁键的寿命与加载历史紧密相关，对载荷表现出记忆性。比如，变载荷下单个逆锁键的寿命提高了两个量级。那么加载历史对整个黏着斑的行为有何影响？黏着斑对加载具有记忆性吗？根据塑性力学的知识，当材料加载产生塑性变形时，其力学行为也与加载历史有关。工程中的形状记忆聚合物对温度或者载荷也表现出记忆。它们与黏着斑对加载的记忆性有何不同？我们又应该怎样描述黏着斑对加载的记忆性？为了回答这些问题，我们拟在分子、分子团、分子群簇、单个黏着斑等多个尺度上建立相应的模型，运用多尺度的分析方法，探索细胞黏着斑在感知机械载荷并作出响应时表现出的记忆性。我们的研究工作可以为理解细胞黏附、细胞迁移等生理过程提供重要的见解。

实验表明细胞可以通过细胞粘着斑感知力学信号并能够作出响应。细胞黏着斑在感知机械载荷并作出响应时可能表现出记忆性，其相应机理不完全清楚。在这个背景之下，本项目研究了在循环载荷作用下蛋白质之间键合的形成动力学，分析在循环载荷作用下键合形成的平均时间与加载频率、键合弹性的关系；探索了细胞感知基体弹性时所产生的主动力的特点，并进一步揭示了其加载的机理；研究怎样从单个蛋白质分子水平进行设计来合成出与相应组织中有类似力学性能的蛋白质水凝胶，定量将水凝胶的宏观力学性能与构成水凝胶的单个蛋白质的动力学特性关联起来；开发了多尺度生长理论，为凝胶网络受其微观力学性质调控而生长的行为提供了一个多尺度的本构模型框架，用来研究生物体各个尺度上的生长行为。我们的研究工作可以为理解细胞黏附、细胞迁移等力生物学过程提供重要的见解。