AMOLF-onderzoekers hebben een theorie gepresenteerd die de wrijving beschrijft tussen biologische filamenten die door eiwitten worden verknoopt. Verrassend genoeg, hun theorie voorspelt dat de wrijvingskracht zeer niet-lineair schalen met het aantal crosslinkers. De auteurs zijn van mening dat cellen deze schaal niet alleen gebruiken om celstructuren te stabiliseren, maar ook om hun grootte te controleren. De nieuwe bevindingen zijn belangrijk voor het begrip van de dynamiek van cellulaire structuren zoals de mitotische spoel, die chromosomen uit elkaar trekt tijdens celdeling.

Motoreiwitten versus wrijvingskrachten

Veel cellulaire structuren bestaan ​​uit lange filamenten die worden verknoopt door motoreiwitten en niet-motoreiwitten (zie figuur). Deze zogenaamde cytoskeletstructuren geven cellen niet alleen hun mechanische stabiliteit, maar stellen ze ook in staat om over oppervlakken te kruipen en chromosoom uit elkaar te trekken tijdens celdeling. Krachtopwekking wordt meestal toegeschreven aan motoreiwitten, die, het gebruik van chemische brandstof, de filamenten ten opzichte van elkaar kunnen bewegen. Echter, deze motorkrachten worden tegengewerkt door wrijvingskrachten die worden gegenereerd door passieve, niet-motorische eiwitten. Deze wrijvingskrachten zijn een centrale determinant van de mechanische eigenschappen van cytoskeletstructuren, en ze beperken de snelheid en efficiëntie waarmee deze structuren worden gevormd. Bovendien, ze kunnen zelfs van vitaal belang zijn voor hun stabiliteit, omdat als de motorkrachten niet worden tegengewerkt door de wrijvingskrachten die worden gegenereerd door de passieve crosslinkers, de structuren kunnen zelfs uit elkaar vallen.

Exponentiële toename

Om de dynamiek van deze cytoskeletstructuren en de krachten die ze kunnen genereren te begrijpen, het is essentieel om te begrijpen hoe de wrijvingskrachten schalen met de lengte van de filamenten en het aantal crosslinkers ertussen. Bestaande theorieën voorspellen dat wrijving lineair toeneemt met het aantal crosslinkers, dat is wat je intuïtief zou verwachten. Echter, recente experimenten hebben levendig aangetoond dat de wrijvingskrachten niet-lineair schalen, dat wil zeggen exponentieel, met het aantal crosslinkers. Door de COVID-19-crisis, we weten allemaal wat een dramatisch verschil een exponentiële versus een lineaire toename kan maken. Tot nu toe, de oorsprong van dit hoogst ongebruikelijke exponentiële schaalgedrag van de wrijving tussen filamenten werd niet begrepen.

Uitleg

AMOLF-groepsleider Ten Wolde en Ph.D. student Wierenga heeft nu een theorie ontwikkeld die deze experimentele waarnemingen verklaart. Hun theorie is gebaseerd op de waarneming dat biologische filamenten bestaan ​​uit een regelmatig rooster van subeenheden, wat een discrete set bindingsplaatsen voor de crosslinkers oplevert. Ten Wolde en Wierenga voorspellen dat de filamenten alleen kunnen bewegen als de linkers zich collectief reorganiseren. Als gevolg van deze collectieve reorganisatie, de wrijvingskrachten nemen zeer snel toe, d.w.z., exponentieel, met het aantal linkers.

Het werk van de auteurs heeft grote implicaties voor ons begrip van de dynamiek van cytoskeletstructuren. Vooral, de exponentiële schaling betekent dat deze structuren in wezen bevriezen wanneer de dichtheid van de crosslinker een bepaalde drempel overschrijdt; de wrijvingskrachten worden zo hoog dat ze elke verdere beweging onmogelijk maken. Cellen kunnen deze sterke schaal gebruiken om de grootte en stabiliteit van cellulaire structuren te regelen.