Un polymère composé d'une protéine tubuline, c'est un composant du cytosquelette impliqué dans le transport intracellulaire, mobilité cellulaire et division nucléaire. Crédit :AMOLF
Les chercheurs de l'AMOLF ont présenté une théorie qui décrit la friction entre les filaments biologiques qui sont réticulés par des protéines. Étonnamment, leur théorie prédit que la force de frottement évolue de manière très non linéaire avec le nombre d'agents de réticulation. Les auteurs pensent que les cellules utilisent cette mise à l'échelle non seulement pour stabiliser les structures cellulaires, mais aussi de contrôler leur taille. Les nouvelles découvertes sont importantes pour la compréhension de la dynamique des structures cellulaires telles que le fuseau mitotique, qui sépare les chromosomes lors de la division cellulaire.
Protéines motrices versus forces de friction
De nombreuses structures cellulaires sont constituées de longs filaments réticulés par des protéines motrices et des protéines non motrices (voir figure). Ces structures dites cytosquelettiques confèrent non seulement aux cellules leur stabilité mécanique, mais leur permettent également de ramper sur des surfaces et de séparer les chromosomes pendant la division cellulaire. La génération de force est généralement attribuée aux protéines motrices, lequel, utilisant un combustible chimique, peut déplacer les filaments les uns par rapport aux autres. Cependant, ces forces motrices s'opposent à des forces de frottement qui sont générées par des forces passives, protéines non motrices. Ces forces de friction sont un déterminant central des propriétés mécaniques des structures du cytosquelette, et ils limitent la vitesse et l'efficacité avec lesquelles ces structures sont formées. De plus, ils peuvent même être vitaux pour leur stabilité, car si les forces motrices ne s'opposent pas aux forces de frottement générées par les réticulants passifs, les structures peuvent même s'effondrer.
Augmentation exponentielle
Pour comprendre la dynamique de ces structures cytosquelettiques et les forces qu'elles peuvent générer, il est essentiel de comprendre comment les forces de frottement évoluent avec la longueur des filaments et le nombre de réticulants entre eux. Les théories existantes prédisent que le frottement augmente linéairement avec le nombre de réticulants, ce à quoi on pourrait s'attendre intuitivement. Cependant, des expériences récentes ont clairement démontré que les forces de frottement évoluent de manière non linéaire, c'est-à-dire exponentiellement, avec le nombre de réticulants. En raison de la crise du COVID-19, nous savons tous quelle différence dramatique une augmentation exponentielle par rapport à une augmentation linéaire peut faire. Jusqu'à maintenant, l'origine de ce comportement d'échelle exponentielle très inhabituel du frottement entre les filaments n'a pas été comprise.
Les structures cytosquelettiques sont constituées de filaments réticulés par des protéines. Ces filaments sont constitués d'un réseau régulier de sous-unités, qui produisent un ensemble discret de sites de liaison pour les agents de réticulation. La théorie des auteurs prédit que, par conséquent, les forces de frottement évoluent très rapidement à mesure que le nombre d'agents de réticulation augmente. Crédit :AMOLF
Explication
Le chef du groupe AMOLF Ten Wolde et Ph.D. L'étudiant Wierenga a maintenant développé une théorie qui explique ces observations expérimentales. Leur théorie est basée sur l'observation que les filaments biologiques sont constitués d'un réseau régulier de sous-unités, produisant un ensemble discret de sites de liaison pour les agents de réticulation. Ten Wolde et Wierenga prédisent que les filaments ne peuvent bouger que si les linkers se réorganisent collectivement. À la suite de cette réorganisation collective, les forces de frottement augmentent très rapidement, c'est à dire., exponentiellement, avec le nombre de liens.
Les travaux des auteurs ont des implications majeures pour notre compréhension de la dynamique des structures cytosquelettiques. En particulier, la mise à l'échelle exponentielle signifie que ces structures se figent essentiellement lorsque la densité d'agent de réticulation dépasse un certain seuil; les forces de frottement deviennent si élevées qu'elles interdisent tout mouvement ultérieur. Les cellules peuvent utiliser cette forte mise à l'échelle pour contrôler la taille et la stabilité des structures cellulaires.
