Selon un modèle théorique développé par les physiciens du LMU, dans les saillies cellulaires, les protéines motrices transportant des cargaisons se gênent souvent les unes les autres. Le résultat est que les protéines à diffusion libre atteignent le bord d'attaque plus rapidement.

Heure d'été, l'école est finie - et les vacanciers s'entassent dans leurs voitures et se dirigent vers l'autoroute la plus proche. L'augmentation du trafic sur les autoroutes à ces moments-là entraîne régulièrement une pléthore d'embouteillages et de ralentissements. Des simulations mathématiques du transport de cargaisons dans des protubérances cellulaires localisées par des protéines motrices suggèrent qu'un phénomène très similaire se produit dans les cellules vivantes. Dans un nouvel article paru dans la revue Lettres d'examen physique , Le professeur LMU Erwin Frey et Isabella Graf décrivent le développement d'un modèle théorique, ce qui indique que le moyen le plus efficace pour les protéines d'atteindre leur destination dans une protrusion étroite est de diffuser la majeure partie du trajet et de « monter dans le bus » (c'est-à-dire de s'attacher à une protéine motrice) à une courte distance de leur objectif.

Les cellules produisent de fines saillies en forme de pointes appelées filopodes ou microvillosités en recrutant des sous-unités pour polymériser des filaments d'actine dans des régions localisées immédiatement sous la membrane plasmique. Les filaments en croissance interagissent avec les protéines de réticulation pour former des faisceaux rigides qui poussent la membrane cellulaire vers l'extérieur et stabilisent la projection en extension. De telles protubérances sont impliquées dans la migration cellulaire, processus de cicatrisation ou de signalisation intercellulaire, et forment des « bordures en brosse » caractéristiques sur les surfaces apicales de l'épithélium intestinal. Selon les fonctions de ces projections, des protéines spécifiques doivent être transmises à leurs extrémités. Ce processus peut être accompli par diffusion passive dans le cytoplasme entourant les filaments ou par transport actif médié par des spécialistes, protéines motrices de liaison à la cargaison. Ces moteurs s'attachent et " marchent " le long des sous-unités des filaments d'actine polarisés directionnellement, portant leur cargaison vers les extrémités des saillies. "On pourrait supposer naïvement que le système de transport dirigé y amènerait les protéines beaucoup plus rapidement que la diffusion libre, " dit Isabella Graf. " Mais nous avons maintenant utilisé un modèle mathématique pour simuler et analyser l'interaction entre le transport actif et diffusif dans les protubérances cellulaires, qui représentent un système semi-fermé – ouvert à la base, fermé à la pointe. – Et à notre grande surprise, nous avons découvert que le transport diffusif est en fait le mode de transport le plus efficace."

Simulations basées sur le modèle, qui incorpore l'attachement et le détachement dynamiques des protéines motrices de, et un mouvement directionnel pas à pas le long des filaments, révèlent que les taux de direction, le transport actif au sein des protubérances est considérablement réduit par l'encombrement stérique entre les protéines motrices sur les filaments. Puisqu'ils ne peuvent ni sauter par-dessus ceux qui les précèdent ni occuper le même espace, des corrélations apparaissent entre elles, de telle sorte qu'ils ne se comportent plus de manière indépendante. Le résultat de ce comportement corrélé est un embouteillage - tout comme celui observé sur une autoroute très fréquentée - et la progression vers la pointe est considérablement ralentie.

Le modèle mathématique développé par les auteurs prend en compte à la fois la densité des protéines motrices et leur interférence mutuelle, et reflète avec précision la dynamique de transport le long des filaments d'actine. Sur la base des résultats de leurs simulations, les auteurs concluent que les protéines qui prennent l'option diffusive atteignent la pointe plus rapidement, mais peut en fait utiliser le système de filaments pour la dernière partie du voyage. "Pourvu que le tailback ne soit pas trop long, il peut effectivement avoir un effet positif au voisinage de la pointe, " dit Graf. " Parce que la vitesse d'avance est lente, les protéines motrices passent plus de temps dans cette région qu'elles ne le feraient autrement, et leurs cargaisons ont donc plus de temps pour remplir leur fonction. le modèle suggère qu'il serait biologiquement bénéfique si le taux de détachement près de la pointe du filament était plus élevé qu'ailleurs, car cela réduirait la longueur du hayon, tout en favorisant simultanément l'accumulation des protéines motrices à la pointe.