Ruch komórkowy: polymeryzacja aktynu i krawędź naprzód

Krawidzienie bez mięśni ani silników

Lewka białosłonowa pościgająca bakterię, lub fibroblast wyleczający ranę, nie krasuje się ani nie ma kończyn — krawideje. Siła za tą krawidzieniem nie jest mięśniowym silnikiem, a stałą, kierowaną zasobnością i rozkładem jednego proteinu: aktynu. Na przód komórki, gdzie aktynowe monomerzy polymerzują się do filamentów szybciej niż można to widzieć oczami nagojnymi, napędzają fizycznie przód membrany komórkowej, a ta symulacja przedstawia ten proces bezpośrednio — gęsta, stale odnowiana siatkka aktynowych filamentów rosnąca na froncie krawidzącej komórki.

Treadmiling: rosnąc na jednym końcu, ztracając na drugim

Filamenty aktynu są półkierunkowe — strukturalnie różne w swoich dwóch końcach, nazywanych barbed (plus) i pointed (minus). Wolne monomerów aktynu (G-aktyn, przypasane do ATP) preferencyjnie dodają się do barbedowego końca; na drugim końcu, starsze podsingle (które już wydzielili swoje związaną ATP do ADP) preferencyjnie opadają. Gdy prędkość dodawania na barbedowym koncu odpowiada prędości straconia na pointedowym koncu, ogólna długość filamentu pozostaje stała, mimo że każdy pojedynczy podsingle porusza się z jednego końca filamentu do drugiego — proces nazywany treadmilingiem. Kosztuje to jedno wydzielanie ATP na cyklu każdego monomeru, co jest rzeczywistym zużyciem energii aktynowego cytoskeletonu do krawędziowania.

barbed (+) end:  fast ATP-actin monomer addition   (growth)
pointed (-) end: slow ADP-actin monomer loss        (disassembly)

net filament length ~ constant when addition rate ~ loss rate,
but individual subunits flow continuously from + end to - end

Rakitka Browna: jak wzrost stać się staje

Sam proces polimerizacji nie wyraźnie wyjaśnia, jak włókno staje się able do naciskania na błonę — drewniany odcinek rosnący przeciwko ścianie zatrzyma by się, zablokowany. Rozwiązanie to model rakitki Browna (Peskin, Odell i Oster, 1993): błona nie jest statyczna, podlega jącirowi termalnemu (Brownowskim), flexując się w przód i w tył o nanometry. Najczęściej ten przepustnik jest zbyt mały, aby kolejny monomer aktynu mógł dodać do konca włókna. Ale kiedykolwiek losowa fluctuacja termalna otwiera przepustnik większy niż ~2,7 nm dodane przez jeden monomer, nowy podzestaw może dodać przed tym, jak błona flexuje się z powrotem — i raz doda, ten podzestaw stanowi sztywną strukturę zapobiegającą błonie wrócić do takiego samego miejsca. Błona jest efektywnie przewlekana w przód, jednym szerokości monomeru na raz, poprzez rectyfikację własnego losowego ruchu termalnego zamiast mechanicznego nacisku na konwencjonalny sposób.

Rozgałęzianie: złożoność Arp2/3 i sieć dendrytyczna

Jedno włókno rosnące poprzez mechanizm ratcheting Browna tworzy słabe, łatwo zginające siły. W rzeczywistych lamelopodia ( płytka, płaski przedziałek biegłego komórki) budują gęstą i samozasileną siatkę wykorzystując złożoność Arp2/3, która przylatuje do boku istniejącego włókna aktynu i nukleuuje nowe włókno rozgałęzające się od niego pod charakterystycznym kątem 70 stopni. Każde nowe rozgałęzienie staje się samodzielnym szablonem do dalszego rozgałęziania, tworząc sieć treadmilling dendrytyczną – nazwa pochodzi bezpośrednio z podobieństwa do gałąźkującej drzewa – gęsta na tyle, że wiele konców włókien naciska jednocześnie na błonę, rozprowadzając obciążenie i sprawiając, że cała przednia krawędź jest mechanicznie sztywna do postępujnego cofania się w jednym kierunku zamiast zginąć.

Anchoring the push: focal adhesje

Rachet, który napędza membranę w przód, nie osiąga niczego dla pełnego przemieszczenia komórki, chyba że reszta komórki ma czego opierzyć się na – inaczej komórka po prostu napędziłaby swoją przednią część, podczas gdy tył cofnąłby się o tyle samo, bez netowej postępu. Focal adhesje są ankerszem: to integryny transmembrane, które powiązują siatkę aktynu wewnątrz z zewnętrznym rurek matrycy na zewnątrz, w punktach dyskretnych blisko przedniej krawędzi. Dzięki temu, że przednia krawędź siatki aktynu jest przytrzymywana do substratu, napór wywołany polymerizacją w miejscu przystępu jest konwertowany na przemieszczanie się całości komórkowej ciała zamiast jedynie lokalnego drgań membranowych. Focal adhesje blisko tylnego krawędzi muszą następnie zwolnić, aby tył komórki mógł być pociągnięty w przód, co koordynowane jest przez napięcie wywołane przez myosin-II na głębi siatki aktynu wewnątrz komórki – krawędź ruchu to cykl: protrude-at-front, adhere, contract, release-at-back, powtarzany ciągle.

Często zadawane pytania