Enligt en teoretisk modell utvecklad av LMU -fysiker, i cellutskott, lasttransporterande motorproteiner hamnar ofta i varandras väg. Resultatet är att fritt spridande proteiner når framkant snabbare.

Sommartid, skolan är ute - och semesterfirare staplar in i sina bilar och gör en linje för närmaste motorväg. Den ökade trafikmängden på motorvägarna vid sådana tillfällen resulterar regelbundet i en uppsjö av trafikstockningar och långsamma förhållanden. Matematiska simuleringar av transport av last i lokaliserade cellutskott av motorproteiner tyder på att ett mycket liknande fenomen sker i levande celler. I ett nytt papper som visas i tidningen Fysiska granskningsbrev , LMU -professor Erwin Frey och Isabella Graf beskriver utvecklingen av en teoretisk modell, vilket indikerar att det mest effektiva sättet för proteiner att nå sina destinationer i ett smalt utsprång är att sprida det mesta av vägen och "hoppa på bussen" (dvs. fästa vid ett motorprotein) en kort bit från sitt mål.

Celler producerar tunna spikliknande utsprång som kallas filopodia eller microvilli genom att rekrytera subenheter till polymerisation av aktinfilament i lokaliserade regioner omedelbart under plasmamembranet. De växande filamenten interagerar med tvärbindande proteiner för att bilda styva buntar som skjuter cellmembranet utåt och stabiliserar det utsträckande utskottet. Sådana utskott är inblandade i cellmigration, sårläkning eller intercellulära signalprocesser, och bildar karakteristiska "borstgränser" på de apikala ytorna på tarmepitel. Beroende på funktionerna i dessa prognoser, specifika proteiner måste föras till deras tips. Denna process kan åstadkommas genom passiv diffusion i cytoplasman som omger filamenten eller genom aktiv transport förmedlad av specialiserade, lastbindande motorproteiner. Dessa motorer fäster till och "går" längs subenheterna i de riktningspolariserade aktinfilamenten, bär sin last mot utsprångets spetsar. "Man skulle naivt anta att det riktade transportsystemet skulle få proteinerna dit mycket snabbare än fri diffusion, "säger Isabella Graf." Men vi har nu använt en matematisk modell för att simulera och analysera samspelet mellan aktiv och diffusiv transport i cellutskott, som representerar ett halvstängt system-öppet vid basen, stängd vid spetsen. - Och till vår förvåning fann vi att diffusiva transporter faktiskt är det effektivare transportsättet. "

Simuleringar baserade på modellen, som innehåller dynamisk fastsättning och lossning av motorproteiner från, och stegvis rörelse längs filamenten, avslöja att räntesatser, aktiv transport inom utsprång reduceras avsevärt genom steriskt hinder mellan motorproteinerna på filamenten. Eftersom de varken kan hoppa över dem som ligger framför dem eller uppta samma utrymme, korrelationer uppstår mellan dem, så att de inte längre beter sig självständigt. Resultatet av detta korrelerade beteende är trafikstockningar - precis som på en trafikerad motorväg - och framstegen mot spetsen saktas drastiskt ner.

Den matematiska modellen som utvecklats av författarna tar hänsyn till både motorproteinernas densitet och deras inbördes interferens, och återspeglar noggrant transportdynamiken längs aktinfilamenten. Baserat på resultaten av deras simuleringar, författarna drar slutsatsen att proteiner som tar det diffusiva alternativet kommer snabbare till spetsen, men kan faktiskt använda filamentsystemet för resans sista sträcka. "Förutsatt att backbacken inte är för lång, det kan faktiskt ha en positiv effekt i närheten av spetsen, "säger Graf." Eftersom hastigheten på förskott är långsam, motorproteiner tillbringar mer tid i denna region än de annars skulle, och deras last har därför mer tid att utföra sin funktion. "Dessutom har modellen föreslår att det skulle vara biologiskt fördelaktigt om lossningsgraden nära filamentets spets var högre än någon annanstans, eftersom detta skulle minska längden på tailbacken, samtidigt som det gynnar ackumulering av motorproteinerna vid spetsen.