Fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) is a versatile technique to evaluate the intracellular molecular exchange called turnover. Physicochemical models of FRAP typically consider the molecular diffusion and chemical reaction that simultaneously occur on a time scale of seconds to minutes. Particularly for long-term measurements, however, an advection effect can no longer be ignored, which transports the proteins in specific directions within the cells and accordingly shifts the spatial distribution of the local chemical equilibrium. Nevertheless, existing FRAP models have not considered the spatial shift, and as such, the turnover rate is often analyzed without considering the spatiotemporally updated chemical equilibrium. Here we develop a new FRAP model aimed at long-term measurements to quantitatively determine the two distinct effects of the advection and chemical reaction, i.e., the different major sources of the change in fluorescence intensity. To validate this approach, we carried out FRAP experiments on actin in stress fibers over a time period of more than 900 s, and the advection rate was shown to be comparable in magnitude to the chemical dissociation rate. We further found that the actin-myosin interaction and actin polymerization differently affect the advection and chemical dissociation. Our results thus suggest that the distinction between the two effects is indispensable to extract the intrinsic chemical properties of the actin cytoskeleton from the observations of complicated turnover in cells.

中文翻译：

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光漂白后荧光恢复中的平流反应分析揭示肌动蛋白应力纤维的长期分子更新

光漂白后的荧光恢复 (FRAP) 是一种通用技术，用于评估称为周转的细胞内分子交换。FRAP 的物理化学模型通常考虑在几秒到几分钟的时间尺度上同时发生的分子扩散和化学反应。然而，特别是对于长期测量，平流效应不能再被忽略，它在细胞内以特定方向运输蛋白质，并相应地改变局部化学平衡的空间分布。然而，现有的 FRAP 模型没有考虑空间转移，因此，经常在不考虑时空更新的化学平衡的情况下分析周转率。在这里，我们开发了一种新的 FRAP 模型，旨在长期测量以定量确定对流和化学反应的两种不同影响，即荧光强度变化的不同主要来源。为了验证这种方法，我们在超过 900 秒的时间段内对应力纤维中的肌动蛋白进行了 FRAP 实验，结果表明平流速率与化学解离速率相当。我们进一步发现肌动蛋白-肌球蛋白相互作用和肌动蛋白聚合对平流和化学解离的影响不同。因此，我们的结果表明，这两种效应之间的区别对于从细胞中复杂周转的观察中提取肌动蛋白细胞骨架的内在化学特性是必不可少的。荧光强度变化的不同主要来源。为了验证这种方法，我们在超过 900 秒的时间段内对应力纤维中的肌动蛋白进行了 FRAP 实验，结果表明平流速率与化学解离速率相当。我们进一步发现肌动蛋白-肌球蛋白相互作用和肌动蛋白聚合对平流和化学解离的影响不同。因此，我们的结果表明，这两种效应之间的区别对于从细胞中复杂周转的观察中提取肌动蛋白细胞骨架的内在化学特性是必不可少的。荧光强度变化的不同主要来源。为了验证这种方法，我们在超过 900 秒的时间段内对应力纤维中的肌动蛋白进行了 FRAP 实验，结果表明平流速率与化学解离速率相当。我们进一步发现肌动蛋白-肌球蛋白相互作用和肌动蛋白聚合对平流和化学解离的影响不同。因此，我们的结果表明，这两种效应之间的区别对于从对细胞中复杂周转的观察中提取肌动蛋白细胞骨架的内在化学特性是必不可少的。平流率在数量上与化学解离率相当。我们进一步发现肌动蛋白-肌球蛋白相互作用和肌动蛋白聚合对平流和化学解离的影响不同。因此，我们的结果表明，这两种效应之间的区别对于从细胞中复杂周转的观察中提取肌动蛋白细胞骨架的内在化学特性是必不可少的。平流率在数量上与化学解离率相当。我们进一步发现肌动蛋白-肌球蛋白相互作用和肌动蛋白聚合对平流和化学解离的影响不同。因此，我们的结果表明，这两种效应之间的区别对于从细胞中复杂周转的观察中提取肌动蛋白细胞骨架的内在化学特性是必不可少的。