Chemomechanical simulation of microtubule dynamics
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Date
2020
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Abstract
Microtubules are hollow cylindrical filaments that are part of the cytoskeleton. During their growth, they exhibit “dynamic instability”, i.e., they can suddenly switch from growing to shrinking (catastrophe) and vice versa (rescue). Obtaining a microscopic understanding of this dynamic instability will also provide a better insight into basic cell functions like cell division and can provide a pathway to manipulate such processes.
We introduce and parameterize a microtubule model that combines a mechanical, three-dimensional model of the microtubule's structure with the chemical processes happening during its growth. These chemical processes are the polymerization and depolymerization of tubulin dimers, the building blocks of microtubules, the formation and rupture of lateral bonds between neighboring tubulin monomers, and random hydrolysis. By ensuring that the simulation is computationally efficient despite the need for energy minimizations after each event, we are able to simulate microtubule growth for realistic timescales to observe catastrophes and rescues.
In addition to analyzing different properties of the simulated microtubules and investigating the effects of dilution, i.e., the sudden decrease of the concentration of free tubulin dimers around the microtubule, we also consider mechanical feedback on the hydrolysis rate. We find this mechanical feedback to result in an effective anti-vectorial hydrolysis mechanism and that there are GTP-tubulin dimers much further away from the microtubule's plus end.
Mikrotubuli sind hohle, zylinderförmige Filamente und bilden ein Bestandteil des Zytoskeletts. Die Wachstumdynamik der Mikrotubuli ist durch ihre „dynamische Instabilität“ geprägt, dem plötzlichen Wechsel von Wachstum zu Schrumpfen (Katastrophe) und umgekehrt (Rettung). Eine mikroskopische Theorie dieser dynamischen Instabilität ist die Grundlage für ein besseres Verständnis grundlegender Zellfunktionen wie der Zellteilung und eröffnet Möglichkeiten solche Prozesse zu beeinflusssen. Wir beschreiben und parametrisieren ein Mikrotubulus-Modell, das ein mechanisches, dreidimensionales Modell der Mikrotubulus-Struktur mit den chemischen Prozessen während des Wachstums verknüpft. Diese chemischen Prozesse sind die Polymerisation und Depolymerisation von Tubulin-Dimeren, den Bausteinen der Mikrotubuli, das Entstehen und Reißen von lateralen Bindungen zwischen benachbarten Tubulin-Monomeren und zufällige Hydrolyse. Aufgrund der Effizienz der Simulation trotz der Energieminimierungen nach jedem Event sind wir in der Lage, Mikrotubuli-Wachstum auf realistischen Zeitskalen zu simulieren und Katastrophen und Rettungen zu beobachten. Zusätzlich zur Analyse verschiedener Eigenschaften der simulierten Mikrotubuli und des Effekts einer Tubulin-Verdünnung, d.h. der plötzlichen Verringerung der Konzentration freier Tubulin-Dimere um den Mikrotubulus, haben wir auch den Einfluss einer Kopplung der Hydrolyserate an die Mechanik untersucht. Die Folge dieser mechanischen Kopplung ist ein effektiv antivektorieller Hydrolyse-Mechanismus und die Existenz von GTP-Tubulin-Dimeren deutlich weiter entfernt vom Plusende des Mikrotubulus.
Mikrotubuli sind hohle, zylinderförmige Filamente und bilden ein Bestandteil des Zytoskeletts. Die Wachstumdynamik der Mikrotubuli ist durch ihre „dynamische Instabilität“ geprägt, dem plötzlichen Wechsel von Wachstum zu Schrumpfen (Katastrophe) und umgekehrt (Rettung). Eine mikroskopische Theorie dieser dynamischen Instabilität ist die Grundlage für ein besseres Verständnis grundlegender Zellfunktionen wie der Zellteilung und eröffnet Möglichkeiten solche Prozesse zu beeinflusssen. Wir beschreiben und parametrisieren ein Mikrotubulus-Modell, das ein mechanisches, dreidimensionales Modell der Mikrotubulus-Struktur mit den chemischen Prozessen während des Wachstums verknüpft. Diese chemischen Prozesse sind die Polymerisation und Depolymerisation von Tubulin-Dimeren, den Bausteinen der Mikrotubuli, das Entstehen und Reißen von lateralen Bindungen zwischen benachbarten Tubulin-Monomeren und zufällige Hydrolyse. Aufgrund der Effizienz der Simulation trotz der Energieminimierungen nach jedem Event sind wir in der Lage, Mikrotubuli-Wachstum auf realistischen Zeitskalen zu simulieren und Katastrophen und Rettungen zu beobachten. Zusätzlich zur Analyse verschiedener Eigenschaften der simulierten Mikrotubuli und des Effekts einer Tubulin-Verdünnung, d.h. der plötzlichen Verringerung der Konzentration freier Tubulin-Dimere um den Mikrotubulus, haben wir auch den Einfluss einer Kopplung der Hydrolyserate an die Mechanik untersucht. Die Folge dieser mechanischen Kopplung ist ein effektiv antivektorieller Hydrolyse-Mechanismus und die Existenz von GTP-Tubulin-Dimeren deutlich weiter entfernt vom Plusende des Mikrotubulus.
Description
Table of contents
Keywords
Mikrotubuli, Wachstumsdynamik, Dynamische Instabilität, Hydrolyse