Universität zu Köln

Ravichandran, Arvind (2017). Active Dynamics in Filament-Motor Mixtures. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Molecular motors facilitate force generation in the cytoskeletal network necessary for the distribution of organelles and the restructuring of the cytoskeleton within eukaryotic cells. The polymers, such as actin and microtubules, that compose this network are under constant flux due to motors, such as myosin and kinesin. In most cases, many of these motors work together cooperatively to mediate activity at the micron-scale from the nano-scale. As a result, the cytoskeletal network is continually broken down, rebuilt, and redistributed to adapt to the cell’s needs. Although mesoscopic structure and dynamics of such networks have been studied in vitro and in vivo, their connection to nanoscopic, motor-mediated force generation is not well understood. Here, we use two computational modelling approaches to gain insights into the role of nano-scale forces on cellular-scale cytoskeletal structure and dynamics. In the first approach, we use two-dimensional Brownian dynamics simulations to study a dense, confined mixture of rigid microtubules (MTs) and motors. The motors are modelled as active springs, with two arms that can crosslink neighbouring MTs. Each arm walks unidirectionally on their respective attached MT, in the direction of the MT’s polar orientation. The motors can either be tetrameric, with two active arms, or dimeric, with one active arm and one anchored arm. In both cases, motors walk on the crosslinked MTs, causing the springs to stretch. The MTs respond to this force by sliding on each other. MTs also interact with each other through a capped interaction potential, with an independently adjustable attractive component that mimics depletion interactions found in experiments. The confining wall is also attractive, which causes a layer of stabilised MTs to be trapped at the boundary. We show that polarity sorting via dimeric motors produces large polar-aligned MT clusters. This process is slower than the sorting that occurs due to tetrameric motors, which produces polar-aligned bundles. MTs at high surface fractions in dimeric motor systems give multiple dynamic topological defects. This is absent in systems with tetrameric motors. In general, we show that the velocity is strongly dependent on the MT’s local polar order, and dimeric motors cause significantly more dynamic MT networks than tetrameric motors. By decomposing MT velocities based on their polar order, we pinpoint why the asymmetric, dimeric motors are more effective in sliding MTs. Our results, where MTs move faster near the confining wall, are consistent with experimental observations in Drosophila oocytes, where enhanced MT activity is found close to the confining plasma membrane. In the second approach, we develop a two-dimensional, Langevin dynamics model with an effective motor potential, under periodic boundary conditions. The effective motor model, coarse-grains the effect of individual motors and reduces substantially the computational overhead that was previously faced. Since in the first approach we found that MTs are most active when they are antialigned, in this method we construct the MT polarity-dependent potential, such that only antialigned MTs are propelled by the effective motor potential. We control the activity in the system using an antialigned motor probability, and the MT surface fraction by adjusting the simulation box size. We find that the polarity sorting in this model gives large polar-aligned domains, similar to that observed in the confined, dimeric motor systems. The domain size increases with increasing surface fraction, and decreases with increasing motor probability. Also, multiple MTs form coherent streams over long length and time-scales at intermediate surface fractions. The coherence and persistence of streams increases with increasing activity. By separating the parallel velocity distribution into three categories of MT environment polarity, we find that the displacement distribution is skewed largely due to the active antialigned MTs. We also extract an active time-scale at which the skew of the displacement distribution is maximal. Furthermore, we predict that photobleaching experiments of active MT mixtures at intermediate surface fractions will show MT streaming. The circularly-bleached area of MTs will evolve to give elongated shadows. By calculating the collective effects of MTs, and the time-scales at which displacement correlations have their maxima and minima, we find a chronologically-sequenced cascade that leads to MT streaming and advection.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Molekulare Motoren erzeugen Kräfte im Zellskelett, die für die Verteilung von Organellen und die Restrukturierung des Zellskeletts in eukariotischen Zellen notwendig sind. Die Filamente, aus denen das Netzwerk besteht, z. B. Aktin und Mikrotubuli, befinden sich aufgrund der Motoren, z. B. Myosin und Kinesin, im konstanten Fluss. In den meisten Fällen arbeiten mehrere Motoren auf der Nanometerskala zusammen um auf der Mikrometerskala Aktivität zu erzeugen. Gemäß den Bedürfnissen der Zelle werden somit kontinuierlich Filamente transportiert und das Zellskelett wird umgebaut. Obwohl die mesoskopische Struktur und Dynamik der Netzwerke sowohl in vitro als auch in vivo untersucht wurde, sind viele Aspekte der molekularen Krafterzeugung noch nicht komplett verstanden. In dieser Arbeit wird mit Hilfe zweier verschiedener Simulationsmodelle die Rolle der Kräfte auf der molekularen Skala für die Struktur und Dynamik auf der Zellskala in Motor-Filament-Systemen untersucht. Mit Hilfe des ersten Modells werden dichte Systeme steifer Mikrotubuli unter Verwendung von Brownischer Dynamik simuliert. Motoren werden als aktive Federn modelliert, die mit ihren zwei Armen benachbarte MT verbinden. Jeder Arm wandert auf einem der polaren MT in einer definierten Richtung. Bei den Motoren kann es sich um tetramere Motoren mit zwei aktiven Ar- men oder um dimere Motoren mit einem aktiven Arm und einem verankerten Arm handeln. In beiden Fällen führt die Wanderung der Motoren auf den MT zur Elongierung der Federn und MT werden durch die entstehenden Kräfte gegeneinander verschoben. Desweiteren besitzt das Wech- selwirkungspotential zwischen MT einen attraktiven Anteil, der die Veramungswechselwirkung in den experimentellen Systemen modelliert. Auch die Wechselwirkung mit der Wand ist attraktiv, was zu einer Schicht an der Wand stabilisierter MT führt. Wir zeigen, daß–getrieben durch das Bestreben die Filamente lokal nach Polarität zu sortieren– sich in Systemen mit dimeren Motoren große polare MT-Domänen ausbilden. Dieser Sortierprozess ist langsamer als in Systemen mit tetrameren Motoren, in denen sich polare MT-Bündel bilden. Desweiteren finden sich–im Gegensatz zu tetrameren Motoren–in Systemen mit dimeren Motoren bei hohen MT-Konzentrationen dynamische, topologische Defekte. Die Geschwindigkeit der MT ist stark von der lokalen polaren Ordnung bestimmt und die Dynamik in Systemen mit dimeren Motoren ist signifikant stärker als in Systemen mit tetrameren Motoren. Durch eine Analyse der MT-Geschwindigkeiten in Abhängigkeit der polaren Ordnung zeigen wir, wie die asymmetrischen dimeren Motoren Filamente effektiver gegeneinander verschieben als tetramere Motoren. Desweit- eren steigt die MT-Geschwindigkeit in der Nähe einer Wand an, was konsistent mit experimentellen Beobachtungen in Drosophila-Eizellen ist, in denen die MT-Aktivität in der Nähe der Plasmamem- bran zunimmt. Mit Hilfe des zweiten Modells werden Systeme mit periodischen Randbedingungen und einem effektiven Motormodell unter Verwendung von zweidimensionalen Langevindynamik-Simulationen untersucht. Dieses effektive Motormdell basiert auf der Vergröberung der Kräfte einzelner Motoren und reduziert somit den Simulationsaufwand signifikant. Mit Hilfe von Simulationen von Syste- men mit expliziten Motoren konnte gezeigt werden, dass antiparallele MT aktiver sind. Daher wird für die effektiven Motoren eine polaritätsabhängige MT-Wechselwirkung verwendet, die nur antiparallele MT antreibt. Die Aktivität der Systeme kann hier über die Bindungwahrscheinlichkeit der Motoren kontrolliert und die MT-Oberflächendichte kann bei konstanter Filamentanzahl über die Systemgrösse reguliert werden. Der Mechanismus der Polaritäts-Sortierung von MT führt zur Bildung großer polarer Domänen, ähnlich den Systemen mit dimeren Motoren. Die Domänengröße nimmt mit zunehmender MT- Oberflächendichte zu und mit zunehmender Bindungswahrscheinlichkeit der Motoren ab. Bei mittleren MT-Oberflächendichten bilden sich sowohl langlebige als auch lange kohärente MT-Ströme aus; Kohärenz und Persistenz der Ströme nehmen mit steigender Aktivität zu. Die Analyse der Schiefe der Verteilung der sogenannten parallelen MT-Geschwindigkeit zeigt, dass diese Asymmetrie in erster Linie durch antiparallele MT erzeugt wird. Die maximale Schiefe der Verteilung definiert eine charakteristische Zeit für die Aktivität. In Simulationen von FRAP-Experimenten werden kreisförmige, nicht fluoreszierende Bereiche in elongierte Bereiche deformiert. Mit Hilfe der Berechnung kollektiver MT-Effekte mit maximaler und minimaler Bewegung der MT sagen die Simulationen eine zeitliche Ordnung der verschiedenen Prozesse rund um die Ausbildung von lokalisierten Strömen und advektiver Strömung im System voraus. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Ravichandran, Arvind arvind.mc2@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-82321
Date:	27 November 2017
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics I
Subjects:	Natural sciences and mathematics Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language molecular motors, microtubule, active dynamics, Brownian dynamics, active motion, cytoplasmic streaming, active turbulence English
Date of oral exam:	15 January 2018
Referee:	Name Academic Title Gompper, Gerhard Prof. Dr. Bollenbach, Tobias Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/8232