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活的手性晶体的奇异动力学

摘要

活性晶体是由运动物体的自组织产生的高度有序的结构,在合成中得到了广泛的研究12和细菌3.4活性物。持续的晶体秩序是否能在自主发展的多细胞生物群体中出现,目前还是未知的。在这里,我们展示了游泳的海星胚胎自发地组装成横跨数千个旋转生物体的手性晶体,并持续数十小时。结合实验、理论和模拟,我们证明了这些活晶体的形成、动力学和溶解是由流体动力学特性和胚胎的自然发育所控制的。值得注意的是,活的手性晶体表现出自持续的手性振荡以及最近预测的奇异弹性材料的各种非常规变形响应行为56.我们的结果为自主多细胞组分之间的非互反相互作用如何促进手性活性物质的非平衡相提供了直接的实验证据。

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图1:发育中的海星胚胎自组织成活的手性晶体。
图2:单胚特性有利于簇的形成、旋转和溶解。
图3:晶体顺序随着胚胎发育先增加后减少。
图4:缺陷应变和位移波表现为奇弹性特征。

数据可用性

支持本文中的图表和本研究的其他发现的所有数据均可根据合理要求从通讯作者处获得。

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在本文中描述了支持图的计算方法补充信息在合理的要求下,可以从相应的作者那里获得底层代码。

参考文献

  1. Palacci, J., Sacanna, S., Preska Steinberg, A., Pine, D. J. & Chaikin, P. M.光激活胶体冲浪者的活晶体。科学339, 936-940(2013)。

    文章广告中科院谷歌学者

  2. Bililign, E. S.等。运动位错将奇怪的晶体揉成螺旋状。Nat。物理。18, 212-218(2022)。

    文章中科院谷歌学者

  3. 佩德罗夫,吴晓林,吴晓林。快速移动的细菌自组织成旋转细胞的活跃二维晶体。理论物理。启。114, 158102(2015)。

    文章广告谷歌学者

  4. 李国强,李国强。旋转晶体的成核过程Thiovulum majus细菌。新J.物理。20., 015007(2018)。

    文章广告谷歌学者

  5. Scheibner, C.等人。奇怪的弹性。Nat。物理。16, 475-480(2020)。

    文章中科院谷歌学者

  6. Braverman, L., Scheibner, C., VanSaders, B. & Vitelli, V.奇异弹性固体中的拓扑缺陷。理论物理。启。127, 268001(2021)。

    文章广告MathSciNet中科院谷歌学者

  7. Anderson, P. W. More则不同。科学177, 393-396(1972)。

    文章广告中科院谷歌学者

  8. 阿什克罗夫特,n.w.和Mermin, n.d.。固体物理学(桑德斯学院出版社/哈考特学院出版社,1976年)。

  9. 李丽娟,李志刚,李志刚。对称破缺在生物学中的应用。冷泉港。教谕。医学杂志。2, a003475(2010)。

    文章谷歌学者

  10. A.布里卡德,J.-B.科森。,Desreumaux, N., Dauchot, O. & Bartolo, D. Emergence of macroscopic directed motion in populations of motile colloids.自然503, 95-98(2013)。

    文章广告中科院谷歌学者

  11. Grzybowski, B. A., Stone, H. A. & Whitesides, g.m.磁化的、毫米大小的物体在液体-空气界面旋转的动态自组装。自然405, 1033-1036(2000)。

    文章广告中科院谷歌学者

  12. 李,W., Amini, H., Stone, H. A. & Di Carlo, D.微流控颗粒晶体的动态自组装和控制。国家科学院学报美国107, 22413-22418(2010)。

    文章广告中科院谷歌学者

  13. Naganathan, S. R., Fürthauer, S., Nishikawa, M., Jülicher, F. & Grill, S. W.由肌动球蛋白细胞皮层产生的主动扭矩驱动左右对称打破。eLife3., e04165(2014)。

    文章谷歌学者

  14. 史密斯,D. J.,蒙特内格罗-约翰逊,T. D. & Lopes, S. S.胚胎发生中的对称性破坏纤毛驱动流。为基础。流体机械。51中国农业科学,2019,105-128(2019)。

    文章广告MathSciNet谷歌学者

  15. 里德尔,i.h.,克鲁斯,K. &霍华德,J.自组织的漩涡阵列的水动力夹带精子细胞。科学309, 300-303(2005)。

    文章广告中科院谷歌学者

  16. Sokolov, A., Aranson, i.s., Kessler, J. O. & Goldstein, R. E.游泳细菌集体动力学的浓度依赖性。理论物理。启。98, 158102(2007)。

    文章广告谷歌学者

  17. 沈志刚,Würger,李志强,李志强。活性胶体的水动力自组装:手性旋流体和动态晶体。软物质15, 1508-1521(2019)。

    文章广告中科院谷歌学者

  18. Bäuerle, T., Löffler, R. C. &贝辛格,C.活性胶体悬浮液中稳定和反应性集体态的形成。Commun Nat。11, 2547(2020)。

    文章广告谷歌学者

  19. 科赫,a.j。生物模式形成:从基本机制到复杂结构。Rev. Mod. Phys。66, 1481-1507(1994)。

    文章广告谷歌学者

  20. 王,G.等。紧急场驱动机器人群状态。理论物理。启。126, 108002(2021)。

    文章广告中科院谷歌学者

  21. Omar, a.k., klyko, K., GrandPre, T. & Geissler, P. L.活性布朗球的相图:结晶和运动诱导相分离的亚稳态。理论物理。启。126, 188002(2021)。

    文章广告中科院谷歌学者

  22. 阿夫隆,J. E.奇粘度。J.统计物理。92, 543-557(1998)。

    文章MathSciNet谷歌学者

  23. Soni, V.等。胶体手性流体的奇自由表面流动。Nat。物理。15, 1188-1194(2019)。

    文章中科院谷歌学者

  24. Banerjee, D., Vitelli, V., Jülicher, F. & Surówka, P.奇材料的活性粘弹性。理论物理。启。126, 138001(2021)。

    文章广告MathSciNet中科院谷歌学者

  25. 克里斯蒂娜·马尔凯蒂,等人。软活性物质的流体动力学。Rev. Mod. Phys。85, 1143-1189(2013)。

    文章广告谷歌学者

  26. 尚卡尔,S.,苏斯洛夫,A.,鲍威克,M. J.,克里斯蒂娜·马尔凯蒂,M. &维泰利,V.拓扑活性物质。Nat. Rev. Phys。4, 380-398(2022)。

  27. 蔡国强,张志强,张志强,等。为基础。启提供者。物理问题。6, 219-244(2015)。

    文章广告中科院谷歌学者

  28. 毕,D.,洛佩兹,J. H.,施瓦茨,J. M.和曼宁,M. L.生物组织中密度无关的刚性转变。Nat。物理。11, 1074-1079(2015)。

    文章中科院谷歌学者

  29. 哈特曼,等人。生长生物膜中三维秩序和结构的出现。Nat。物理。15, 251(2019)。

    文章中科院谷歌学者

  30. 秦,B.等。光片显微镜显示的细菌生物膜中的细胞位置命运和集体喷泉流动。科学369, 71-77(2020)。

    文章广告中科院谷歌学者

  31. 形态发生过程中程序化和自组织的信息流。细胞生物学。22, 245-265(2021)。

    文章中科院谷歌学者

  32. 罗森塔尔,S. B., Twomey, C. R.,哈特尼特,A. T.,吴,H. S.和Couzin, i.d .揭示移动动物群体中隐藏的互动网络可以预测复杂的行为传染。国家科学院学报美国112, 4690-4695(2015)。

    文章广告中科院谷歌学者

  33. Bialek, W.等人。自然鸟群的统计力学。国家科学院学报美国109, 4786-4791(2012)。

    文章广告中科院谷歌学者

  34. Drescher, K.等。跳舞的团藻:游泳藻类的水动力束缚态。理论物理。启。102, 168101(2009)。

    文章广告谷歌学者

  35. Lauga E。细胞运动的流体动力学(《剑桥应用数学文本》,剑桥大学出版社,2020年)。

  36. Gilpin, W., Prakash, V. N. & Prakash, M.涡旋阵列和纤毛缠结是海星幼虫进食-游泳权衡的基础。Nat。物理。13, 380-386(2017)。

    文章中科院谷歌学者

  37. Wan K. Y.等。再生周围复杂纤毛流的重组声音洪亮的人coeruleus菲尔。反式。r . Soc。B375, 20190167(2020)。

    文章谷歌学者

  38. 石川,T.,佩德利,T. J., Drescher, K. & Goldstein, R. E.舞蹈稳定性团藻J.流体机械。903, a11(2020)。

    文章广告MathSciNet中科院谷歌学者

  39. 李国强,李国强。位错介导的二维熔解研究。理论物理。启B19, 2457(1979)。

    文章广告中科院谷歌学者

  40. Zahn, K. & Maret, G.二维熔化的动态准则。理论物理。启。85, 3656(2000)。

    文章广告中科院谷歌学者

  41. 巴特尔,C.等。活跃生物系统介观尺度上细节平衡的破坏。科学352, 604-607(2016)。

    文章广告中科院谷歌学者

  42. 李俊杰,霍洛维茨,J. M.金里奇,T. R. & Fakhri . N.利用波动电流量化耗散。Commun Nat。10, 1666(2019)。

    文章广告谷歌学者

  43. 鲁瑟,A.等。4万个核上的交互式超级计算用于机器学习和数据分析。IEEE高性能。Ext. Comp. Conf。1, 1-6(2018)。

    谷歌学者

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确认

感谢C. Scheibner, W. Irvine, N. Wingreen, J. Liu, y . C.。赵和r.e. Goldstein进行了宝贵的讨论。这项研究得到了斯隆基金会资助(G-2021-16758)给N.F.和j.d.的支持,以及国家科学基金会职业生涯奖给N.F. T.H.T.的支持,感谢NSF-Simons哈佛生物学数学和统计分析中心(奖励号1764269)和哈佛定量生物学倡议作为NSF-Simons博士后研究员的支持。德累斯顿系统生物学研究中心为易易be博士后。A.M.感谢来自欧洲分子生物学组织(ALTF 528-2019)的长期奖学金和来自德国科学研究院(Project 431144836)的博士后研究奖学金的支持。Y.C.感谢麻省理工学院物理系Curtis Marble奖学金的支持。P.J.F.和S.G.感谢戈登和贝蒂摩尔基金会作为生命系统物理学研究员的支持。GBMF4513。J.D.得到了罗伯特·e·柯林斯杰出奖学金基金的支持。n.f., J.D.和S.G.感谢KITP计划ACTIVE20:活性物质中的对称,热力学和拓扑,部分由国家科学基金会资助。 NSF PHY-1748958. We thank the MIT SuperCloud43提供其高性能计算资源的访问。

作者信息

作者及隶属关系

作者

贡献

n.f., j.d., T.H.T.和A.M.构思了这个项目。T.H.T.和A.M.是共同第一作者。J.L.和Y.C.是联合第二作者。T.H.T.设计并进行实验并分析数据。A.M.提出了理论,进行了模拟并分析了数据。J.L.进行实验并分析数据。Y.C.分析数据。H.H.进行了实验。P.J.F.进行了实验并分析了数据。S.G.分析了数据。 N.F. and J.D. designed experiments and theory and supervised research. All authors discussed the results and co-wrote the paper.

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作者声明没有利益竞争。

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自然感谢Vivek Prakash, Anton Souslov和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。

额外的信息

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谭廷华,米特克,A,李,J。et al。活的手性晶体的奇异动力学。自然607, 287-293(2022)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-04889-6

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