Bølgefronter og myrestier

Fysikere fra Ludwig Maximilian Universitetet i München, der undersøger spontan mønsterdannelse i et modelsystem, der inkluderer bevægelige proteiner, har opdaget hidtil uobserverede fænomener. Deres resultater giver ny indsigt i biologiske processer.

Fugleflokke og bakteriesuspensioner, men også de dynamiske filamentøse proteinsystemer, der udgør cytoskelettet af eukaryote celler, have noget til fælles. Fra fysikerens synspunkt, disse er alle eksempler på aktivt stof, dvs. systemer, hvis komponenter er i stand til at omdanne kemisk energi til aktiv bevægelse. Hvordan disse komponenter selv organiserer sig i funktionelle samlinger er et af de centrale problemer i cellebiologi, fordi mange af de væsentlige processer, der finder sted i celler, er baseret på selvorganisering af komplekse molekylære strukturer til mønstre. I samarbejde med professor Andreas Bausch ved det tekniske universitet i München, LMU-fysikere ledet af professor Erwin Frey har studeret et populært modelsystem for aktivt stof, og opdagede fænomener aldrig før observeret. Først og fremmest, forskerne fandt ud af, at forskellige mønstre kan opstå under de samme startbetingelser og, desuden, disse ordnede tilstande kan dynamisk sameksistere med hinanden. For det andet subtile udsving på det mikroskopiske niveau dør ikke ud. I stedet kan de have betydelige konsekvenser for hele systemet på det makroskopiske niveau. Den nye undersøgelse vises i tidsskriftet Videnskab .

Frey og hans kolleger brugte en standard motilitetsanalyse som deres model. I dette system, myosin motorproteiner er knyttet til et substrat for at danne en slags tæppe. Derefter tilsættes en opløsning indeholdende filamentøse polymerer af proteinet actin. I nærværelse af en kemisk energikilde (ATP), filamenterne binder til motorproteinerne og transporteres aktivt inden for arrayet. "Under standardbetingelser, aktinfilamenterne bevæger sig i bølgelignende klynger, " siger Lorenz Huber, en ph.d.-studerende i Freys gruppe og, sammen med Ryo Suzuki og Timo Krüger, avisens fælles førsteforfatter. Eksperimenter udført i Bauschs laboratorium viste, imidlertid, at mindre ændringer i interaktionerne mellem proteinerne har en uventet effekt på dette mønster. Tilsætning af en lille mængde af den organiske polymer polyethylenglycol til systemet reducerer effektivt det volumen, der er tilgængeligt for actinfilamenterne. Under disse forhold, ikke kun frekvensen, men også typen af ​​observerede interaktioner ændrer sig markant, og de fremadskridende bølgefronter omdannes til trådlignende former, der vokser i længden, snarere som myrestier. Dette viser, at selv mindre, lokale ændringer kan drastisk ændre systemets adfærd på makroskopisk niveau. "Normalt, man antager, at de små detaljer bliver ubetydelige i større skalaer – men her, små forskelle forstærkes gradvist og har en stadig større effekt, efterhånden som man øger systemets skala, " siger Huber.

Forskerne fortsatte med at udvikle en teoretisk model, der fanger filamenternes bevægelser og gengiver de eksperimentelle observationer. Simuleringer baseret på denne model afslørede også et område af parameterrum, hvor både bølgelignende strukturer og myrespor opstår samtidigt - og stabilt kan sameksistere med hinanden. "Denne fremkomst af bistabilitet indikerer, at vi har identificeret en ny fase af stof, " siger Frey. I yderligere laboratorieforsøg, holdet var faktisk i stand til at generere begge organisationstilstande på én gang. "Det er virkelig fascinerende at se. De polariserede bølger skyller ind over myrestiene og udsletter dem nærmest, efterlader en slags moræne, som tjener til at frø til dannelsen af ​​et nyt myrespor. Så systemet udviser en meget interessant og dynamisk interaktion mellem de to typer mønstre, " siger Huber.

Disse resultater indikerer, at aktive stofsystemer har en unik kapacitet til at give anledning til forskellige slags dynamiske mønstre under identiske startbetingelser. Ifølge undersøgelsens forfattere, denne indsigt har dybtgående implikationer for forskellige forskningsfelter, og kunne føre til nye måder at forstå biologiske processer på. "Det inspirerer en til at reflektere over, hvordan et biologisk system samtidigt kan generere forskellige typer af orden ved hjælp af et givet sæt komponenter, " slutter Huber.

Denne artikel vil blive offentliggjort online af tidsskriftet Videnskab på torsdag, 28 juni, 2018.