Self-organization and cooperativity of cytoskeletal molecular motors

• Autores: David Oriola Santandreu
• Directores de la Tesis: Jaume Casademunt i Viader (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2016
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Andrea Parmeggiani (presid.), Melike Lakadamyali (secret.), Jan Brugues Ferre (voc.)
• Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Física
• Materias:
  • Matemáticas
    • Probabilidad
      • Procesos estocásticos
  • Física
    • Mecánica
      • Mecánica de medios continuos
  • Química
    • Bioquímica
      • Biología molecular
  • Ciencias de la vida
    • Biofísica
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Dipòsit Digital de la UB
• Resumen

  • La presente tesis versa sobre distintos aspectos relacionados con la acción colectiva de motores moleculares del citoesqueleto. La tesis esta organizada en dos partes: la primera parte corresponde al estudio de la acción cooperativa de motores moleculares en el transporte intracelular, mientras que la segunda parte corresponde al estudio de inestabilidades dinámicas oscilatorias debidas a la acción colectiva de motores moleculares. En la primera parte de la tesis, llevamos a cabo un estudio teórico y experimental completo sobre la kinesina monomérica KIF1A, la cual constituye un notable ejemplo de motor Browniano y un motor modelo para el estudio del transporte intracelular. Presentamos un estudio numérico exhaustivo sobre la acción colectiva de motores KIF1A monoméricos basado en dinámica Browniana, y predecimos una mejora dramática de la acción colectiva de dichos motores para tareas asociadas al transporte vesicular. Des de un punto de vista biológico, nuestros resultados refuerzan la hipótesis que la especificidad del motor KIF1A en el transporte vesicular dentro de los axones neuronales es debido a su especial adaptación a la generación colectiva de fuerza. Des de un punto de vista físico, mostramos que los motores Brownianos basados en un modelo “ratchet” de dos estados están sorprendentemente adaptados a la generación cooperativa de fuerza. Los resultados son validados con un modelo “lattice” estudiando la dinámica de dos motores interactuantes. Mostramos analíticamente la presencia de cooperatividad en el sistema y consideramos un primer paso hacia un modelo “lattice” con un número arbitrario de motores interactuantes. Finalmente, validamos nuestras predicciones teóricas experimentalmente, mediante ensayos biomiméticos de extracción de tubos de membrana con motores KIF1A monoméricos. Mostramos que, a pesar de la gran ineficiencia de dichos motores a nivel individual, éstos son capaces de extraer nanotubos de membrana a nivel colectivo, consecuentemente validando nuestras predicciones teóricas. Adicionalmente, mostramos la sorprendente formación de tubos helicoidales alrededor de microtúbulos. Este fenómeno implica una notable capacidad de los motores KIF1A monoméricos para generar fuerzas laterales gracias a la presencia de un estado difusivo en su ciclo de hidrólisis. De esta forma, este estado sugiere dos estrategias complementarias para superar obstáculos en el transporte axonal: fuerza bruta y capacidad de maniobra. En una configuración “en serie”, el estado difusivo permite la generación de grandes fuerzas mediante la acumulación de motores, por otra parte, en una configuración “en paralelo”, el estado difusivo permite el desplazamiento lateral del motor. En la segunda parte de la tesis, estudiamos la generación de inestabilidades dinámicas debido a la acción de motores moleculares. En particular, los casos de oscilaciones espontáneas en un sistema “in vitro” de actina y miosina, y el batido flagelar auto-organizado son estudiados en detalle. En el primer caso, estudiamos teóricamente un sistema de actina y miosina acoplado con un elemento elástico, generando así oscilaciones espontáneas en presencia de ATP gracias a una bifurcación de Hopf en el sistema. Este problema está inspirado en el mecanismo responsable del batido asíncrono de las alas de algunos insectos. Mostramos cómo un modelo teórico basado en un sistema de ecuaciones integro-diferenciales, se puede reducir a un simple sistema de tres ecuaciones diferenciales ordinarias. Finalmente, observamos que tanto en el sistema completo como en el reducido, aparecen oscilaciones subarmónicas en algunos regímenes. Sorprendentemente, picos subarmónicos fueron observados experimentalmente en la señal del espectro de potencia en un sistema “in vitro” de actina y miosina. Consecuentemente, nuestro trabajo teórico proporciona una explicación para dicho fenómeno. En el segundo caso, estudiamos la dinámica no lineal del batido axonémico debido a la acción de dineínas. Las ecuaciones no lineales explícitas correspondientes a la geometria del flagelo y la cinética de las dineínas son derivadas y resueltas numéricamente. Nuestro análisis revela la dinámica espacio-temporal del sistema para diferentes regímenes de actividad de los motores, viscosidad del medio y elasticidad del flagelo. Nuestro estudio revela que lejos de la bifurcación, las soluciones linearizadas no describen correctamente la forma del flagelo y los efectos no-lineales debidos a la actividad de los motores son especialmente relevantes. Finalmente, la caracterización de la dinámica flagelar es completada usando análisis de componentes principales y estudiando la iniciación del batido flagelar.