Les particules cellulaires se déplacent plus rapidement dans un environnement cellulaire encombré lorsque les molécules d'encombrement ne sont pas uniformément réparties. De nouvelles recherches montrent également que le transport des particules dans les cellules surpeuplées peut en fait être plus rapide que le mouvement dans un environnement non surpeuplé tant que les particules se déplacent des zones densément peuplées vers des zones moins surpeuplées. Comprendre la vitesse à laquelle les particules se déplacent dans ces environnements peut aider les chercheurs à mieux comprendre les processus cellulaires qui nécessitent que plusieurs molécules se « trouvent » dans l'environnement surpeuplé de la cellule. Un article décrivant la recherche, par une équipe de scientifiques de Penn State, apparaît en ligne dans la revue ACS Nano .

« La surpopulation est courante dans les systèmes vivants à différentes échelles de longueur, des couloirs achalandés au cytoplasme cellulaire dense, " a déclaré Ayusman Sen, Verne M. Willaman Professeur de chimie et professeur distingué de chimie et de génie chimique à Penn State et l'un des dirigeants de l'équipe de recherche. "L'intérieur des cellules est très, très encombré de protéines, macromolécules et organites. Les molécules impliquées dans les réactions chimiques requises par la cellule doivent être transportées à travers cette foule, environnement visqueux pour trouver leurs réactifs partenaires. Si l'environnement est uniformément encombré, le mouvement ralentit, mais nous savons que l'intérieur d'une cellule n'est pas uniforme; il existe des gradients de macromolécules et d'autres espèces. Donc, nous étions intéressés par la façon dont ces gradients influenceraient le transport à l'échelle nanométrique. »

Les chercheurs ont comparé le mouvement de divers colloïdes "traceurs" - des particules insolubles en suspension dans un liquide - à travers différents environnements à l'aide de la microfluidique. Un dispositif microfluidique peut être rempli de différentes solutions dans lesquelles les chercheurs établissent des gradients – de haut en bas – de macromolécules « crowder » dans le fluide. Les traceurs, qui peut être grand ou petit, dur ou mou et déformable, sont marqués par fluorescence permettant aux chercheurs de suivre leur mouvement avec un microscope confocal.

« Nous avons été surpris de voir que les traceurs se déplaçaient plus rapidement dans les gradients de foules que dans un fluide sans aucune foule, " dit Farzad Mohajerani, un étudiant diplômé en génie chimique à Penn State et co-premier auteur de l'article. "Nous pensons que les foules densément emballées exercent en fait une pression sur les traceurs pour les forcer vers des zones moins denses. Les grandes molécules de traceur se sont déplacées plus rapidement que les petites, et doux, les traceurs déformables se déplaçaient plus vite que les durs."

"Le doux, les traceurs déformables sont de meilleurs représentants des espèces réelles se déplaçant dans les cellules, " a déclaré Matthieu Collins, un étudiant diplômé en chimie à Penn State et co-premier auteur de l'article. "Nous pensons qu'ils peuvent aller plus vite parce que, contrairement aux particules dures, ils peuvent se faufiler dans des zones plus étroites."

"Nos expériences et notre modèle montrent non seulement que les molécules peuvent se déplacer plus rapidement à travers des gradients d'encombrement macromoléculaire, nous pensons que ces taux de mouvement peuvent augmenter davantage à l'intérieur des cellules vivantes réelles où d'autres molécules en mouvement actives pourraient augmenter la pression d'encombrement, ", a déclaré le sénateur.