Secondo un modello teorico sviluppato dai fisici LMU, nelle sporgenze cellulari, Le proteine ​​motorie che trasportano il carico spesso si intralciano a vicenda. Il risultato è che le proteine ​​che si diffondono liberamente raggiungono il bordo d'attacco più velocemente.

Estate, la scuola è finita e i vacanzieri si ammassano nelle loro auto e si dirigono dritti verso l'autostrada più vicina. L'aumento del volume di traffico sulle autostrade in tali momenti si traduce regolarmente in una pletora di ingorghi e condizioni di rallentamento. Simulazioni matematiche del trasporto di carichi in protrusioni cellulari localizzate da parte di proteine ​​motorie suggeriscono che un fenomeno molto simile avviene nelle cellule viventi. In un nuovo articolo che appare sulla rivista Lettere di revisione fisica , Il professor LMU Erwin Frey e Isabella Graf descrivono lo sviluppo di un modello teorico, il che indica che il modo più efficace per le proteine ​​di raggiungere le loro destinazioni in una stretta protrusione è diffondere la maggior parte del percorso e "salire sull'autobus" (cioè attaccarsi a una proteina motoria) a breve distanza dal loro obiettivo.

Le cellule producono sottili protuberanze simili a punte chiamate filopodi o microvilli reclutando subunità per polimerizzare i filamenti di actina nelle regioni localizzate immediatamente sotto la membrana plasmatica. I filamenti in crescita interagiscono con le proteine ​​reticolanti per formare fasci rigidi che spingono la membrana cellulare verso l'esterno e stabilizzano la proiezione in estensione. Tali sporgenze sono coinvolte nella migrazione cellulare, guarigione delle ferite o processi di segnalazione intercellulare, e formano caratteristici "bordi a spazzola" sulle superfici apicali degli epiteli intestinali. A seconda delle funzioni di queste proiezioni, proteine ​​specifiche devono essere veicolate alle loro punte. Questo processo può essere compiuto per diffusione passiva nel citoplasma che circonda i filamenti o per trasporto attivo mediato da proteine ​​motorie che legano il carico. Questi motori si attaccano e "camminano" lungo le subunità dei filamenti di actina polarizzati direzionalmente, portando il loro carico verso le punte delle sporgenze. "Si potrebbe ingenuamente presumere che il sistema di trasporto diretto porterebbe le proteine ​​lì molto più velocemente della diffusione libera, " dice Isabella Graf. "Ma ora abbiamo usato un modello matematico per simulare e analizzare l'interazione tra trasporto attivo e diffusivo nelle protrusioni cellulari, che rappresentano un sistema semichiuso – aperto alla base, chiuso in punta. – E con nostra sorpresa abbiamo scoperto che il trasporto diffusivo è in realtà il modo di trasporto più efficiente."

Simulazioni basate sul modello, che incorpora l'attaccamento dinamico e il distacco delle proteine ​​motorie da, e movimento direzionale graduale lungo i filamenti, rivelano che i tassi di diretto, il trasporto attivo all'interno delle protrusioni è significativamente ridotto dall'ingombro sterico tra le proteine ​​motorie sui filamenti. Poiché non possono né scavalcare chi li precede né occupare lo stesso spazio, emergono correlazioni tra loro, tale da non comportarsi più in modo indipendente. Il risultato di questo comportamento correlato è la congestione del traffico – proprio come quella vista su un'autostrada trafficata – e l'avanzamento verso la punta è drasticamente rallentato.

Il modello matematico sviluppato dagli autori tiene conto sia della densità delle proteine ​​motorie che della loro reciproca interferenza, e riflette accuratamente le dinamiche di trasporto lungo i filamenti di actina. Sulla base dei risultati delle loro simulazioni, gli autori concludono che le proteine ​​che adottano l'opzione diffusiva raggiungono la punta più velocemente, ma può effettivamente utilizzare il sistema a filamento per l'ultimo tratto del viaggio. "A condizione che la coda non sia troppo lunga, può effettivamente avere un effetto positivo in prossimità della punta, " dice Graf. "Poiché la velocità di avanzamento è lenta, le proteine ​​motorie trascorrono più tempo in questa regione di quanto farebbero altrimenti, e i loro carichi hanno quindi più tempo per svolgere la loro funzione." Inoltre, il modello suggerisce che sarebbe biologicamente vantaggioso se il tasso di distacco vicino alla punta del filamento fosse più alto che altrove, in quanto ciò ridurrebbe la lunghezza della coda, favorendo contemporaneamente l'accumulo delle proteine ​​motorie sulla punta.