Filamenteuze polymeren, microtubuli genaamd, spelen een vitale rol bij chromosoomsegregatie en moleculair transport. Een LMU-team heeft nu onderzocht hoe de lengte van microtubuli varieert als reactie op veranderingen in de beschikbaarheid van hun eiwitcomponenten.

Cellen hebben een inwendig skelet, waardoor ze hun vorm kunnen veranderen en actief kunnen migreren. Dit cytoskelet is samengesteld uit een aantal filamentsystemen, waarvan microtubuli er één zijn. Cilindrische microtubuli hebben wanden die bestaan ​​uit 13 protofilamenten, elk bestaande uit heterodimere subeenheden die twee verwante tubuline-eiwitten bevatten. Microtubuli verlenen niet alleen mechanische stabiliteit aan cellen en dicteren hun vorm, ze dienen ook als een intracellulair transportnetwerk. Verder, microtubuli zijn de belangrijkste bestanddelen van de mitotische spoel, die de ordelijke scheiding van de gerepliceerde chromosoomsets in de twee dochtercellen tijdens celdeling bemiddelt. Al deze functies vereisen dynamische regulering van de lengtes van microtubuli. Een groep LMU-fysici onder leiding van professor Erwin Frey, in samenwerking met Professor Stefan Diez (Technische Universiteit van Dresden en Max Planck Instituut voor Moleculaire Celbiologie en Genetica, Dresden), hebben nu een model ontwikkeld waarin de motoreiwitten die verantwoordelijk zijn voor het transport van lading langs protofilamenten ook dienen om de lengte van microtubuli te reguleren. Het model is beschreven en experimenteel gevalideerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

In eerder werk, Frey's groep had aangetoond dat de dichtheid van moleculaire motoren die aan de filamenten zijn bevestigd, van invloed is op het feit of de microtubulus groeit of krimpt, en dat hun effect afhangt van de lengte van het betreffende filament. Hoe langer de microtubuli, hoe groter het aantal motoreiwitten dat het kan accommoderen. Motormoleculen genaamd kinesines gaan langs het protofilament, stappen van het ene dimeer naar het andere. Wanneer een kinesine-eiwit het einde bereikt, het komt los van het filament en neemt de tubuline mee waaraan het is gebonden. Bijgevolg, als de motordichtheid op het protofilament hoog is, krimp zal doorgaan. Anderzijds, een nieuw tubulinedimeer kan aan het uiteinde binden. Aan het einde, motorafhankelijke krimp concurreert dus met de groei van microtubuli. "Vandaar, ervan uitgaande dat middelen (d.w.z. zowel tubulines als moleculaire motoren) aanwezig zijn bij toegang, er zal een filamentlengte zijn waarbij de groei- en krimpsnelheden in evenwicht zijn, " zegt Matthias Rank, eerste auteur van de studie. Echter, in een echte cel, het is onwaarschijnlijk dat deze componenten in onbeperkte hoeveelheden beschikbaar zijn. Bijvoorbeeld, vorming van de mitotische spoel vermindert het aantal vrije tubulinemoleculen in de oplosbare fase van het cytoplasma aanzienlijk. In de nieuwe studie de onderzoekers onderzochten de effecten van een dergelijke beperking van hulpbronnen op de regulering van de lengte van de microtubuli.

Met behulp van simulaties gebaseerd op een wiskundig model van polymeerdynamica, ze ontdekten dat onder deze omstandigheden twee verschillende mechanismen van lengteregulatie een rol spelen. Welke van deze dominant wordt, hangt af van de relatieve concentraties van de tubulinen en de motoreiwitten:in een bepaald concentratiebereik werkt het dynamische evenwicht tussen groei en krimp van de microtubuli zoals het zou zijn als de middelen niet beperkend zouden zijn. "Maar het ligt anders als een van de benodigde middelen schaars is", zegt Rang. "Dat is het geval, bijvoorbeeld, wanneer er niet genoeg motormoleculen beschikbaar zijn om een ​​snelle depolymerisatie van de protofilamenten teweeg te brengen." In deze situatie, de microtubuli blijven groeien totdat de tubulineconcentratie onder een kritische waarde zakt. Verder, er is een concentratiebereik waarin beide processen actief zijn. "In dit geval, we zien dat de microtubuli in twee maten komen en dat ze soms wisselen tussen de twee lengtes", zegt Frey. "In fysiek opzicht dit kan worden omschreven als een faseovergang." In vitro-experimenten uitgevoerd door hun co-auteur in Dresden hebben het bestaan ​​van dit overgangsregime voorspeld door het model van München bevestigd. Het team is ervan overtuigd dat hun resultaten ook van toepassing zijn op andere polymeersystemen , en ze vermoeden dat de beperking van belangrijke hulpbronnen een belangrijke rol kan spelen bij het reguleren van andere cellulaire processen.