Frit diffuserende cellulære proteiner når forkanten hurtigere

Ifølge en teoretisk model udviklet af LMU-fysikere, i cellefremspring, lasttransporterende motorproteiner kommer ofte i vejen for hinanden. Resultatet er, at frit diffuserende proteiner når forkanten hurtigere.

Sommertid, skolen er ude – og feriegæster hober sig ind i deres biler og laver et skud på vej til den nærmeste motorvej. Den øgede trafikmængde på motorvejene på sådanne tidspunkter resulterer jævnligt i et væld af trafikpropper og langsom kørsel. Matematiske simuleringer af transport af last i lokaliserede cellefremspring med motorproteiner tyder på, at et meget lignende fænomen finder sted i levende celler. I et nyt papir, som udkommer i journalen Fysisk gennemgangsbreve , LMU Professor Erwin Frey og Isabella Graf beskriver udviklingen af ​​en teoretisk model, hvilket indikerer, at den mest effektive måde for proteiner at nå deres destinationer i snævert fremspring er at diffundere det meste af vejen og "hoppe på bussen" (dvs. binde sig til et motorprotein) i kort afstand fra deres mål.

Celler producerer tynde spidslignende fremspring kaldet filopodia eller microvilli ved at rekruttere underenheder til at polymerisere actinfilamenter i lokaliserede områder umiddelbart under plasmamembranen. De voksende filamenter interagerer med tværbindende proteiner for at danne stive bundter, der skubber cellemembranen udad og stabiliserer den forlængende projektion. Sådanne fremspring er involveret i cellemigration, sårheling eller intercellulære signalprocesser, og danner karakteristiske "børstekanter" på de apikale overflader af tarmepitel. Afhængigt af funktionerne af disse fremskrivninger, specifikke proteiner skal formidles til deres spidser. Denne proces kan opnås ved passiv diffusion i cytoplasmaet, der omgiver filamenterne eller ved aktiv transport medieret af specialiserede, lastbindende motorproteiner. Disse motorer fæstner sig til og "går" langs underenhederne af de retningsbestemt polariserede aktinfilamenter, bærer deres last mod spidserne af fremspringene. "Man ville naivt antage, at det rettede transportsystem ville få proteinerne dertil meget hurtigere end fri diffusion, " siger Isabella Graf. "Men vi har nu brugt en matematisk model til at simulere og analysere samspillet mellem aktiv og diffusiv transport i cellefremspring, som repræsenterer et semi-lukket system - åbent i bunden, lukket i spidsen. - Og til vores overraskelse fandt vi ud af, at diffus transport faktisk er den mere effektive transportform."

Simuleringer baseret på modellen, som inkorporerer dynamisk tilknytning og løsrivelse af motorproteiner fra, og trinvis retningsbestemt bevægelse langs filamenterne, afsløre, at satser for rettet, aktiv transport i fremspring reduceres væsentligt af sterisk hindring mellem motorproteinerne på filamenterne. Da de hverken kan hoppe over dem foran dem eller optage den samme plads, der opstår sammenhænge mellem dem, sådan at de ikke længere opfører sig selvstændigt. Resultatet af denne korrelerede adfærd er trafikpropper - ligesom det set på en travl motorvej - og fremskridtet mod spidsen er drastisk bremset.

Den matematiske model udviklet af forfatterne tager både densiteten af ​​motorproteinerne og deres gensidige interferens i betragtning, og reflekterer nøjagtigt transportdynamikken langs aktinfilamenterne. Baseret på resultaterne af deres simuleringer, Forfatterne konkluderer, at proteiner, der tager den diffusive mulighed, kommer hurtigere til spidsen, men kan faktisk gøre brug af filamentsystemet til den sidste strækning af rejsen. "Forudsat at haleryggen ikke er for lang, det kan faktisk have en positiv effekt i nærheden af ​​spidsen, " siger Graf. "Fordi fremrykningshastigheden er langsom, motorproteiner bruger mere tid i denne region, end de ellers ville, og deres laster har derfor mere tid til at udføre deres funktion." modellen antyder, at det ville være biologisk fordelagtigt, hvis løsrivelseshastigheden nær spidsen af ​​filamentet var højere end andre steder, da dette ville reducere længden af ​​tailbacken, og samtidig favorisere akkumulering af motorproteinerne i spidsen.