Volgens een theoretisch model ontwikkeld door LMU-fysici, in celuitsteeksels, vrachtvervoerende motoreiwitten zitten elkaar vaak in de weg. Het resultaat is dat vrij diffunderende eiwitten sneller de voorhoede bereiken.

zomer, school is uit - en vakantiegangers stappen in hun auto's en maken een rechte lijn naar de dichtstbijzijnde snelweg. De toename van het verkeer op de snelwegen op zulke momenten zorgt regelmatig voor veel files en slow-go-condities. Wiskundige simulaties van het transport van vracht in gelokaliseerde celuitsteeksels door motoreiwitten suggereren dat een vergelijkbaar fenomeen plaatsvindt in levende cellen. In een nieuw artikel dat in het tijdschrift verschijnt Fysieke beoordelingsbrieven , LMU Professor Erwin Frey en Isabella Graf beschrijven de ontwikkeling van een theoretisch model, wat aangeeft dat de meest effectieve manier voor eiwitten om hun bestemming in smal uitsteeksel te bereiken, is om het grootste deel van de weg te diffunderen en "op de bus te springen" (d.w.z. zich hechten aan een motoreiwit) op korte afstand van hun doel.

Cellen produceren dunne spike-achtige uitsteeksels, filopodia of microvilli genaamd, door subeenheden te rekruteren om actinefilamenten te polymeriseren in gelokaliseerde gebieden direct onder het plasmamembraan. De groeiende filamenten interageren met verknopende eiwitten om stijve bundels te vormen die het celmembraan naar buiten duwen en het uitstrekkende uitsteeksel stabiliseren. Dergelijke uitsteeksels zijn betrokken bij celmigratie, wondgenezing of intercellulaire signaalprocessen, en vormen karakteristieke "borstelranden" op de apicale oppervlakken van darmepitheel. Afhankelijk van de functies van deze projecties, specifieke eiwitten moeten naar hun uiteinden worden overgebracht. Dit proces kan worden bereikt door passieve diffusie in het cytoplasma dat de filamenten omringt of door actief transport gemedieerd door gespecialiseerde, lading bindende motor eiwitten. Deze motoren hechten aan en "lopen" langs de subeenheden van de directioneel gepolariseerde actinefilamenten, hun lading naar de punten van de uitsteeksels dragen. "Je zou naïef aannemen dat het gerichte transportsysteem de eiwitten daar veel sneller zou krijgen dan vrije diffusie, " zegt Isabella Graf. "Maar we hebben nu een wiskundig model gebruikt om het samenspel tussen actief en diffuus transport in celuitsteeksels te simuleren en te analyseren, die een semi-gesloten systeem vertegenwoordigen - open aan de basis, aan de punt gesloten. – En tot onze verbazing ontdekten we dat diffuus transport eigenlijk de efficiëntere manier van transport is."

Simulaties gebaseerd op het model, die dynamische hechting en onthechting van motoreiwitten omvat van, en stapsgewijze directionele beweging langs de filamenten, laten zien dat de tarieven van gerichte, actief transport binnen uitsteeksels wordt aanzienlijk verminderd door sterische hindering tussen de motoreiwitten op de filamenten. Omdat ze niet over degenen voor hen kunnen springen en niet dezelfde ruimte kunnen innemen, er ontstaan ​​verbanden tussen zodat ze zich niet meer zelfstandig gedragen. Het resultaat van dit gecorreleerde gedrag is verkeersopstoppingen - net als op een drukke snelweg - en de voortgang naar de punt wordt drastisch vertraagd.

Het door de auteurs ontwikkelde wiskundige model houdt zowel rekening met de dichtheid van de motoreiwitten als met hun onderlinge interferentie, en geeft nauwkeurig de transportdynamiek langs de actinefilamenten weer. Op basis van de resultaten van hun simulaties, de auteurs concluderen dat eiwitten die de diffusieve optie nemen sneller bij de punt komen, maar kan voor het laatste stuk van de reis daadwerkelijk gebruik maken van het filamentsysteem. "Als de file niet te lang is, het kan juist een positief effect hebben in de buurt van de punt, " zegt Graf. "Omdat de voortgang langzaam is, motoreiwitten brengen meer tijd door in deze regio dan ze anders zouden doen, en hun ladingen hebben daardoor meer tijd om hun functie uit te voeren." het model suggereert dat het biologisch gunstig zou zijn als de loslating nabij de punt van de gloeidraad hoger zou zijn dan elders, aangezien dit de lengte van de file zou verminderen, terwijl tegelijkertijd de accumulatie van de motoreiwitten aan de punt wordt bevorderd.