Non-Gaussianity, population heterogeneity, and transient superdiffusion in the spreading dynamics of amoeboid cells

文献情報

出版日 2018-08-08
DOI 10.1039/C8CP04254C
インパクトファクター 3.676
著者

Andrey G. Cherstvy, Oliver Nagel, Carsten Beta, Ralf Metzler


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要旨

What is the underlying diffusion process governing the spreading dynamics and search strategies employed by amoeboid cells? Based on the statistical analysis of experimental single-cell tracking data of the two-dimensional motion of the Dictyostelium discoideum amoeboid cells, we quantify their diffusive behaviour based on a number of standard and complementary statistical indicators. We compute the ensemble- and time-averaged mean-squared displacements (MSDs) of the diffusing amoebae cells and observe a pronounced spread of short-time diffusion coefficients and anomalous MSD-scaling exponents for individual cells. The distribution functions of the cell displacements, the long-tailed distribution of instantaneous speeds, and the velocity autocorrelations are also computed. In particular, we observe a systematic superdiffusive short-time behaviour for the ensemble- and time-averaged MSDs of the amoeboid cells. Also, a clear anti-correlation of scaling exponents and generalised diffusivity values for different cells is detected. Most significantly, we demonstrate that the distribution function of the cell displacements has a strongly non-Gaussian shape and—using a rescaled spatio-temporal variable—the cell-displacement data collapse onto a universal master curve. The current analysis of single-cell motions can be implemented for quantifying diffusive behaviours in other living-matter systems, in particular, when effects of active transport, non-Gaussian displacements, and heterogeneity of the population are involved in the dynamics.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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