I polimeri filamentosi chiamati microtubuli svolgono ruoli vitali nella segregazione dei cromosomi e nel trasporto molecolare. Un team LMU ha ora esaminato come le lunghezze dei microtubuli variano in risposta ai cambiamenti nella disponibilità dei loro componenti proteici.

Le cellule possiedono uno scheletro interno, che consente loro di modificare la loro forma e migrare attivamente. Questo citoscheletro è composto da un certo numero di sistemi di filamenti, di cui i microtubuli sono uno. I microtubuli cilindrici hanno pareti costituite da 13 protofilamenti, ciascuno costituito da subunità eterodimeriche contenenti due proteine ​​tubuliniche correlate. I microtubuli non solo conferiscono stabilità meccanica alle cellule e ne dettano la forma, servono anche come rete di trasporto intracellulare. Per di più, i microtubuli sono i principali costituenti del fuso mitotico, che media la segregazione ordinata degli insiemi cromosomici replicati nelle due cellule figlie durante la divisione cellulare. Tutte queste funzioni richiedono una regolazione dinamica delle lunghezze dei microtubuli. Un gruppo di fisici LMU guidati dal professor Erwin Frey, in collaborazione con il professor Stefan Diez (Università tecnica di Dresda e Max Planck Institute for Molecular Cell Biology and Genetics, Dresda), hanno ora sviluppato un modello in cui le proteine ​​motorie responsabili del trasporto del carico lungo i protofilamenti servono anche a regolare le lunghezze dei microtubuli. Il modello è descritto e validato sperimentalmente nella rivista Lettere di revisione fisica .

In lavori precedenti, Il gruppo di Frey aveva dimostrato che la densità dei motori molecolari attaccati ai filamenti ha un impatto sul fatto che il microtubulo cresca o si restringa, e che il loro effetto dipende dalla lunghezza del filamento interessato. Più lungo è il microtubulo, maggiore è il numero di proteine ​​motorie che può ospitare. Le molecole motore chiamate chinesine procedono lungo il protofilamento, passando da un dimero all'altro. Quando una proteina chinesina raggiunge la fine, si stacca dal filamento prendendo con esso la tubulina a cui è legato. Di conseguenza, se la densità del motore sul protofilamento è elevata, restringimento continuerà. D'altra parte, un nuovo dimero di tubulina può legarsi alla fine. Alla fine, il restringimento motorio-dipendente compete quindi con la crescita dei microtubuli. "Quindi, assumendo che le risorse (cioè sia le tubuline che i motori molecolari) siano presenti nell'accesso, ci sarà una lunghezza del filamento alla quale i tassi di crescita e restringimento si bilanciano, "dice Matthias Rank, primo autore dello studio. Però, in una vera cella, è improbabile che questi componenti siano disponibili in quantità illimitate. Per esempio, la formazione del fuso mitotico riduce significativamente il numero di molecole di tubulina libere nella fase solubile del citoplasma. Nel nuovo studio, i ricercatori hanno esplorato gli effetti di tale limitazione delle risorse sulla regolazione della lunghezza dei microtubuli.

Utilizzando simulazioni basate su un modello matematico della dinamica dei polimeri, hanno scoperto che in queste condizioni entrano in gioco due distinti meccanismi di regolazione della lunghezza. Quale di queste diventi dominante dipende dalle concentrazioni relative delle tubuline e delle proteine ​​motorie:In un certo range di concentrazione l'equilibrio dinamico tra crescita e restringimento dei microtubuli opera come se le risorse non fossero limitanti. "Ma le cose sono diverse quando una delle risorse necessarie scarseggia", dice Rango. "Questo è il caso, ad esempio, quando non sono disponibili molecole motore sufficienti per innescare una rapida depolimerizzazione dei protofilamenti." In questa situazione, i microtubuli continuano a crescere fino a quando la concentrazione di tubuline scende al di sotto di un valore critico. Per di più, esiste un intervallo di concentrazione in cui entrambi i processi sono attivi. "In questo caso, osserviamo che i microtubuli sono di due dimensioni e che a volte cambiano tra le due lunghezze", dice Frey. "In termini fisici, questo può essere descritto come una transizione di fase." Esperimenti in vitro condotti dal loro coautore a Dresda hanno confermato l'esistenza di questo regime di transizione previsto dal modello di Monaco. Il team è convinto che i loro risultati siano applicabili anche ad altri sistemi polimerici , e sospettano che la limitazione delle risorse chiave possa svolgere un ruolo importante nella regolazione di altri processi cellulari.