Eksponentiel skalering af friktionskræfter i celler

AMOLF -forskere har præsenteret en teori, der beskriver friktionen mellem biologiske filamenter, der er tværbundet af proteiner. Overraskende nok, deres teori forudsiger, at friktionskraften skaleres meget ulineært med antallet af tværbindere. Forfatterne mener, at celler bruger denne skalering ikke kun til at stabilisere cellulære strukturer, men også for at kontrollere deres størrelse. De nye fund er vigtige for forståelsen af ​​dynamikken i cellulære strukturer, såsom den mitotiske spindel, som trækker kromosomer fra hinanden under celledeling.

Motoriske proteiner kontra friktionskræfter

Mange cellulære strukturer består af lange filamenter, der er tværbundet af motoriske proteiner og ikke-motoriske proteiner (se figur). Disse såkaldte cytoskeletale strukturer giver ikke kun celler deres mekaniske stabilitet, men også sætte dem i stand til at kravle over overflader og til at trække kromosom fra hinanden under celledeling. Kraftgenerering tilskrives typisk motoriske proteiner, hvilken, ved hjælp af kemisk brændstof, kan flytte filamenterne i forhold til hinanden. Imidlertid, disse motorkræfter modsættes friktionskræfter, der genereres af passive, ikke-motoriske proteiner. Disse friktionskræfter er en central determinant for de mekaniske egenskaber ved cytoskeletale strukturer, og de begrænser hastigheden og effektiviteten, hvormed disse strukturer dannes. I øvrigt, de kan endda være afgørende for deres stabilitet, fordi hvis motorkræfterne ikke modsættes af friktionskræfterne, der genereres af de passive tværbindere, strukturerne kan endda falde fra hinanden.

Eksponentiel stigning

For at forstå dynamikken i disse cytoskeletale strukturer og de kræfter, de kan generere, det er vigtigt at forstå, hvordan friktionskræfterne skaleres med filamenternes længde og antallet af tværbindere mellem dem. Eksisterende teorier forudsiger, at friktion stiger lineært med antallet af tværbindere, hvilket er hvad man intuitivt ville forvente. Imidlertid, nylige eksperimenter har levende vist, at friktionskræfterne skaleres ikke-lineært, dvs. eksponentielt, med antallet af tværbindere. På grund af COVID-19-krisen, vi ved alle, hvilken dramatisk forskel en eksponentiel versus en lineær stigning kan gøre. Indtil nu, oprindelsen til denne yderst usædvanlige eksponentielle skaleringsadfærd for friktionen mellem filamenter blev ikke forstået.

Forklaring

AMOLF -gruppeleder Ten Wolde og ph.d. studerende Wierenga har nu udviklet en teori, der forklarer disse eksperimentelle observationer. Deres teori er baseret på observationen af, at biologiske filamenter består af et regelmæssigt gitter af underenheder, hvilket giver et diskret sæt bindingssteder for tværbinderne. Ten Wolde og Wierenga forudsiger, at filamenterne kun kan bevæge sig, hvis linkerne reorganiserer sig kollektivt. Som et resultat af denne kollektive reorganisering, friktionskræfterne stiger meget hurtigt, dvs. eksponentielt, med antallet af linkere.

Forfatternes arbejde har store konsekvenser for vores forståelse af dynamikken i cytoskeletale strukturer. I særdeleshed, den eksponentielle skalering betyder, at disse strukturer i det væsentlige fryser, når tværbindingstætheden overstiger en vis tærskel; friktionskræfterne bliver så høje, at de forbyder yderligere bevægelse. Celler kan bruge denne stærke skalering til at kontrollere størrelsen og stabiliteten af ​​cellulære strukturer.