Fysiker från Ludwig Maximilian Universitetet i München som undersöker spontan mönsterbildning i ett modellsystem som inkluderar rörliga proteiner har upptäckt hittills oobserverade fenomen. Deras resultat ger nya insikter om biologiska processer.

Fågelflockar och bakteriesuspensioner, men också de dynamiska filamentösa proteinsystemen som utgör cytoskelettet av eukaryota celler, ha någonting gemensamt. Från fysikers synvinkel, dessa är alla exempel på aktiv materia, dvs system vars komponenter kan omvandla kemisk energi till aktiv rörelse. Hur dessa komponenter självorganiserar sig till funktionella sammansättningar är ett av de centrala problemen inom cellbiologi, eftersom många av de väsentliga processer som äger rum i celler är baserade på självorganisering av komplexa molekylära strukturer till mönster. I samarbete med professor Andreas Bausch vid Münchens tekniska universitet, LMU-fysiker ledda av professor Erwin Frey har studerat ett populärt modellsystem för aktiv materia, och upptäckte fenomen som aldrig tidigare observerats. För det första, forskarna fann att distinkta mönster kan uppstå under samma startförhållanden och, vidare, dessa ordnade tillstånd kan dynamiskt samexistera med varandra. För det andra, subtila fluktuationer på mikroskopisk nivå dör inte bort. Istället kan de få betydande konsekvenser för hela systemet på makroskopisk nivå. Den nya studien visas i tidskriften Vetenskap .

Frey och hans kollegor använde en standard motilitetsanalys som modell. I detta system, myosinmotorproteiner fästs på ett substrat för att bilda en sorts matta. Därefter tillsattes en lösning innehållande filamentösa polymerer av proteinet aktin. I närvaro av en kemisk energikälla (ATP), filamenten binder till motorproteinerna och transporteras aktivt inom arrayen. "Under standardförhållanden, aktinfilamenten rör sig i vågliknande kluster, " säger Lorenz Huber, en doktorand i Freys grupp och, tillsammans med Ryo Suzuki och Timo Krüger, tidningens första författare. Experiment utförda i Bauschs laboratorium visade, dock, att mindre förändringar i interaktionerna mellan proteinerna har en oväntad effekt på detta mönster. Tillsats av en liten mängd av den organiska polymeren polyetylenglykol till systemet minskar effektivt volymen tillgänglig för aktinfilamenten. Under dessa omständigheter, inte bara frekvensen, men också typen av observerade interaktioner förändras markant, och de framåtgående vågfronterna förvandlas till trådliknande former som växer i längd, snarare som myrstigar. Detta visar att även mindre, lokala modifieringar kan drastiskt förändra systemets beteende på makroskopisk nivå. "I vanliga fall, man antar att de små detaljerna blir obetydliga i större skala – men här, små skillnader förstärks successivt och får en allt större effekt när man ökar systemets skala, säger Huber.

Forskarna fortsatte med att utveckla en teoretisk modell som fångar filamentens rörelser och återger de experimentella observationerna. Simuleringar baserade på denna modell avslöjade också ett område av parameterrymd där både vågliknande strukturer och myrspår dyker upp samtidigt - och kan stabilt samexistera med varandra. "Denna uppkomst av bistabilitet indikerar att vi har identifierat en ny fas av materia, " säger Frey. I ytterligare laboratorieexperiment, teamet kunde faktiskt generera båda organisationstillstånden på en gång. "Det är verkligen fascinerande att se. De polariserade vågorna sköljer över myrspåren och nästan utplånar dem, lämnar efter sig en sorts morän, som tjänar till att frö bildandet av ett nytt myrspår. Så systemet uppvisar en mycket intressant och dynamisk interaktion mellan de två typerna av mönster, säger Huber.

Dessa fynd tyder på att system med aktivt material har en unik förmåga att ge upphov till olika slags dynamiska mönster under identiska utgångsförhållanden. Enligt studiens författare, denna insikt har djupgående implikationer för olika forskningsområden, och skulle kunna leda till nya sätt att förstå biologiska processer. "Det inspirerar en att reflektera över hur ett biologiskt system samtidigt kan generera olika typer av ordning med en given uppsättning komponenter, " avslutar Huber.

Denna artikel kommer att publiceras online av tidskriften Vetenskap på torsdag, 28 juni, 2018.