I ricercatori di AMOLF hanno presentato una teoria che descrive l'attrito tra i filamenti biologici che sono reticolati dalle proteine. Sorprendentemente, la loro teoria prevede che la forza di attrito sia altamente non lineare con il numero di reticolanti. Gli autori ritengono che le cellule utilizzino questo ridimensionamento non solo per stabilizzare le strutture cellulari, ma anche per controllarne le dimensioni. Le nuove scoperte sono importanti per la comprensione delle dinamiche di strutture cellulari come il fuso mitotico, che separa i cromosomi durante la divisione cellulare.

Proteine ​​motorie contro forze di attrito

Molte strutture cellulari sono costituite da lunghi filamenti che sono reticolati da proteine ​​motorie e proteine ​​non motorie (vedi figura). Queste cosiddette strutture citoscheletriche non solo conferiscono alle cellule la loro stabilità meccanica, ma consentono anche loro di strisciare sulle superfici e di separare i cromosomi durante la divisione cellulare. La generazione di forza è tipicamente attribuita alle proteine ​​motorie, quale, utilizzando combustibili chimici, possono spostare i filamenti l'uno rispetto all'altro. Però, queste forze motorie sono contrastate da forze di attrito generate da forze passive, proteine ​​non motorie. Queste forze di attrito sono un determinante centrale delle proprietà meccaniche delle strutture del citoscheletro, e limitano la velocità e l'efficienza con cui si formano queste strutture. Inoltre, possono anche essere vitali per la loro stabilità, perché se le forze motorie non sono contrastate dalle forze di attrito generate dai reticolanti passivi, le strutture possono anche cadere a pezzi.

Aumento esponenziale

Per comprendere le dinamiche di queste strutture citoscheletriche e le forze che possono generare, è essenziale capire come le forze di attrito scalano con la lunghezza dei filamenti e il numero di reticolanti tra di loro. Le teorie esistenti prevedono che l'attrito aumenta linearmente con il numero di reticolanti, che è quello che ci si aspetterebbe intuitivamente. Però, recenti esperimenti hanno vividamente dimostrato che le forze di attrito scalano in modo non lineare, cioè esponenzialmente, con il numero di reticolanti. A causa dell'emergenza COVID-19, sappiamo tutti quale differenza drammatica possa fare un aumento esponenziale rispetto a un aumento lineare. Fino ad ora, l'origine di questo comportamento di scala esponenziale altamente insolito dell'attrito tra i filamenti non è stata compresa.

Spiegazione

Capogruppo AMOLF Ten Wolde e Ph.D. lo studente Wierenga ha ora sviluppato una teoria che spiega queste osservazioni sperimentali. La loro teoria si basa sull'osservazione che i filamenti biologici sono costituiti da un reticolo regolare di subunità, ottenendo un insieme discreto di siti di legame per i reticolanti. Ten Wolde e Wierenga prevedono che i filamenti possono muoversi solo se i linker si riorganizzano collettivamente. A seguito di questa riorganizzazione collettiva, le forze di attrito aumentano molto rapidamente, cioè., esponenzialmente, con il numero di linker.

Il lavoro degli autori ha importanti implicazioni per la nostra comprensione della dinamica delle strutture citoscheletriche. In particolare, la scalatura esponenziale significa che queste strutture sostanzialmente si congelano quando la densità del reticolante supera una certa soglia; le forze di attrito diventano così elevate da impedire ogni ulteriore movimento. Le cellule possono utilizzare questo forte ridimensionamento per controllare le dimensioni e la stabilità delle strutture cellulari.