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Analyse multi-échelle de la mécanique de l'actine ramifiée.
No full textLa polymérisation de filaments d'actine contre une membrane peut générer des forces importantes entraînant l'endocytose chez la levure ou la formation de lamellipodes à l'extrémité de cellules motiles comme les kératocytes. Cette polymérisation est thermodynamiquement favorable car l'ajout d'un monomère s'accompagne d'une diminution du potentiel chimique. Cependant, la croissance du filament ralentie lorsqu'une contrainte lui est opposée, évaluant la force de décrochage à quelques pN. Si ce schéma est bien établi pour un filament unique, il n'est pas évident de le transposer à un réseau composé de centaines de filaments comme le lamellipodium. Plus généralement, comprendre l'émergence de caractéristiques à grande échelle à partir des propriétés moléculaires reste un défi majeur en biologie. Ainsi, l'objectif global de cette thèse est d'étudier l'émergence des propriétés mécaniques de l'actine ramifiée d'un point de vue numérique, théorique et statistique. Pour ce faire, nous nous appuyons sur des simulations numériques de réseaux à grande échelle dans lesquelles les caractéristiques macroscopiques peuvent être mesurées. Dans la première partie de notre travail, nous utilisons des simulations stochastiques (dynamique de Langevin) pour créer des réseaux ramifiés en croissance soumis à une contrainte mécanique externe, imitant ainsi la résistance de la matrice extracellulaire. Précisément, nous étudions comment les propriétés stationnaires du système sont déterminées à la fois par la force de décrochage et par la contrainte. Pour un réseau de filaments avec une force de décrochage infinie, la vitesse de croissance présente un maximum lorsque la contrainte tend vers zéro et diminue ensuite comme une loi de puissance de la contrainte. Une théorie mécanique des réseaux ramifiés fondée sur l'enchevêtrement des filaments s'accorde sur cette loi de puissance. La valeur maximale à faible contrainte peut être expliquée par la traînée du réseau, qui devient ici le principal facteur déterminant. Par l'étude de filaments plus réalistes nous montrons qu'il existe un seuil de force de décrochage à partir duquel le mouvement est possible. Ce seuil est proportionnel à la contrainte externe. Enfin, pour mieux comprendre le régime de faible contrainte, nous avons étudié les réseaux à croissance libre et avons montré qu'ils s'adaptent d'eux-mêmes en ralentissant et en devenant plus denses. Dans la deuxième partie, nous cherchons à quantifier l'information qui peut être obtenue à partir de statistiques réalisées sur de nombreuses simulations. Plus précisément, nous cherchons à identifier les combinaisons de paramètres (e.g. rigidité de l'actine, longueur du filament) qui influencent le plus les observables de notre système ramifié (e.g. densité, module d'Young). Afin de les identifier, nous appliquons des outils issus de la théorie de l'information aux statistiques générées par nos simulations, ces dernières ayant été répétées en appliquant de petites modifications aux paramètres. Sur la base de travaux antérieurs sur la dynamique des microtubules, nous avons calculé la matrice d'information de Fisher (MIF) associée qui permet de quantifier la dépendance observable-paramètre. En supposant que chaque observables suit localement une distribution normale, et grâce à une meilleure utilisation des statistiques de simulation, nous avons pu obtenir un calcul plus efficace de la MIF. L'analyse des vecteurs et valeurs propres de la MIF fournit une hiérarchie de modes de sensibilité dans l'espace des paramètres. Ces modes peuvent être interprétés géométriquement comme les directions pour lesquelles les caractéristiques du réseau sont le plus influencées par les paramètres. Ainsi, nous avons caractérisé notre système branché avec ses principaux modes de sensibilité, correspondant à une dimension effective de notre système, dont la valeur, deux, a été confirmée à l'aide de modèles analytiques.Polymerization of actin filaments against membranes can generate significant forces, leading to endocytosis in yeast or to the formation of lamellipodium protrusions at the leading edge of motiles cells like keratocytes. This polymerization is thermodynamically favorable, as the addition of a monomer is accompanied by a decrease in chemical potential. However, filament growth slows down when a stress opposes its growth, with a stall force of a few pN. While this picture is well established for a single filament, it is not clear how it translates to a network of hundreds of filaments like the lamellipodium. More generally, understanding the emergence of large-scale characteristics from molecular properties remains a major challenge in biology. Thus, the overall aim of this thesis is to understand the emergence of the mechanical properties of branched actin from a numerical, theoretical and statistical point of view. To achieve this, we rely on numerical simulations of large-scale networks in which macroscopic characteristics can be measured. In the first part of our work, we use stochastic simulations (Langevin dynamics) to create growing branched networks subjected to external mechanical stress, mimicking the resistance of the extracellular matrix. Specifically, we investigate on how stationary properties of the system are determined by both stall force and stress. For a network made of filaments with an infinite stall force, the growth velocity exhibits a maximum when the stress tends towards zero and then decreases as a power law of the stress. A mechanical theory of branched networks based on filaments entanglement agrees with this power law. The maximum value at low stress can be explained by the drag of the network, which becomes the main determining factor here. By studying more realistic filaments, we show that there is a stall force threshold above which movement is possible. This threshold is proportional to the external stress. Finally, to better understand the low-stress regime, we studied free-growing networks and showed that they self-adapt by slowing down and densifying. In the second part, we aim at quantify the information that can be obtained from statistics carried out on numerous simulations. More specifically, we seek to identify the combinations of parameters (e.g. actin stiffness, filament length) that most influence the observables of our branched system (e.g. density). To identify them, we apply tools from information theory to the statistics generated by our simulations, which have been repeated by applying small modifications to the parameters. Based on previous work on microtubule dynamics, we have calculated the associated Fisher information matrix (FIM), which quantifies the observable-parameter dependence. By assuming that each observable locally follows a normal distribution, and by a better use of simulation statistics, we were able to obtain a more efficient calculation of the FIM. Analysis of the eigenvectors and eigenvalues of the FIM provides a hierarchy of sensitivity modes in the parameter space, which can be interpreted geometrically as the direction in which network characteristics can be most influenced by the parameters. Thus, we characterize our branched system with its main sensitivity modes, corresponding to an effective dimension of our system. We find that this system has two effective dimensions, which has been confirmed using analytical models
Les membranes cellulaires : identité et transport
No full textIn this theoretical work, we studied the relation between membrane identity, transport and organelle structure in cells. We first study the entry of pathogens such as viruses or toxins in cells. We showed how the chemical and physical properties of the cell membrane can control the entry of molecules or bodies. We then focus on transport in the Golgi apparatus. We see that by an adequate formulation of transport in the Golgi, we can give an accurate interpretation of existing experimental data. We show that differences of identity allow the localization of molecules in one cisterna of the Golgi stack. Then, we show that we can write general requirements on the transport processes to enable the heterogeneity of compartments. We show that this requirements may have dramatic functional consequences on transport. Eventually, we study the building of new compartments in the cell. We consider one membrane compartment, which we can see as the precursor of the Golgi apparatus, in which the membrane lipids undergo a chemical reaction and are transformed into another lipid species (as occurs in the Golgi apparatus). There can be a competition between the kinetics of phase separation and the kinetics of the chemical reaction which control the structure of the compartment.Dans ce travail théorique, nous avons étudié les relations entre l'identité d'une membrane (sa composition chimique et ses propriétés physique), le transport lié à cette membrane, et la structure adoptée par cette membrane. Nous avons d'abord étudié l'entrée de pathogènes dans la cellule. Nous avons montré que ce sont les propriétés physiques et la composition de la membrane qui contrôlent l'entrée des pathogènes dans la cellule en contrôlant leur adhésion sur la membrane et leur aggrégation. Nous nous sommes ensuite tournés vers le transport dans l'appareil de Golgi, où nous montrons qu'une formulation adéquate des processus de transport permet de donner une interprétation précise d'expériences passées. Nous avons montré que des différences d'identité dans les membranes peuvent causer un transport des molécules dans l'appareil de Golgi. Nous nous intéressons ensuite à la maintenance de cette identité dans des organelles qui s'échangent en permanence des molécules. Nous montrons que cet échange doit avoir des propriétés particulières pour permettre la conservation de l'identité. Ces propriétés du transport ont un grand rôle sur la physiologie de l'organelle, et nous montrons qu'ils peuvent augmenter le rendement de l'appareil de Golgi. Enfin, nous montrons que le changement progressif d'identité dans un organelle peut contrôler la structure même de cet organelle
Les membranes cellulaires : identité et transport
No full textIn this theoretical work, we studied the relation between membrane identity, transport and organelle structure in cells. We first study the entry of pathogens such as viruses or toxins in cells. We showed how the chemical and physical properties of the cell membrane can control the entry of molecules or bodies. We then focus on transport in the Golgi apparatus. We see that by an adequate formulation of transport in the Golgi, we can give an accurate interpretation of existing experimental data. We show that differences of identity allow the localization of molecules in one cisterna of the Golgi stack. Then, we show that we can write general requirements on the transport processes to enable the heterogeneity of compartments. We show that this requirements may have dramatic functional consequences on transport. Eventually, we study the building of new compartments in the cell. We consider one membrane compartment, which we can see as the precursor of the Golgi apparatus, in which the membrane lipids undergo a chemical reaction and are transformed into another lipid species (as occurs in the Golgi apparatus). There can be a competition between the kinetics of phase separation and the kinetics of the chemical reaction which control the structure of the compartment.Dans ce travail théorique, nous avons étudié les relations entre l'identité d'une membrane (sa composition chimique et ses propriétés physique), le transport lié à cette membrane, et la structure adoptée par cette membrane. Nous avons d'abord étudié l'entrée de pathogènes dans la cellule. Nous avons montré que ce sont les propriétés physiques et la composition de la membrane qui contrôlent l'entrée des pathogènes dans la cellule en contrôlant leur adhésion sur la membrane et leur aggrégation. Nous nous sommes ensuite tournés vers le transport dans l'appareil de Golgi, où nous montrons qu'une formulation adéquate des processus de transport permet de donner une interprétation précise d'expériences passées. Nous avons montré que des différences d'identité dans les membranes peuvent causer un transport des molécules dans l'appareil de Golgi. Nous nous intéressons ensuite à la maintenance de cette identité dans des organelles qui s'échangent en permanence des molécules. Nous montrons que cet échange doit avoir des propriétés particulières pour permettre la conservation de l'identité. Ces propriétés du transport ont un grand rôle sur la physiologie de l'organelle, et nous montrons qu'ils peuvent augmenter le rendement de l'appareil de Golgi. Enfin, nous montrons que le changement progressif d'identité dans un organelle peut contrôler la structure même de cet organelle
Membrane Mechanics of Endocytosis in Cells with Turgor.
No full textEndocytosis is an essential process by which cells internalize a piece of plasma membrane and material from the outside. In cells with turgor, pressure opposes membrane deformations, and increases the amount of force that has to be generated by the endocytic machinery. To determine this force, and calculate the shape of the membrane, we used physical theory to model an elastic surface under pressure. Accurate fits of experimental profiles are obtained assuming that the coated membrane is highly rigid and preferentially curved at the endocytic site. The forces required from the actin machinery peaks at the onset of deformation, indicating that once invagination has been initiated, endocytosis is unlikely to stall before completion. Coat proteins do not lower the initiation force but may affect the process by the curvature they induce. In the presence of isotropic curvature inducers, pulling the tip of the invagination can trigger the formation of a neck at the base of the invagination. Hence direct neck constriction by actin may not be required, while its pulling role is essential. Finally, the theory shows that anisotropic curvature effectors stabilize membrane invaginations, and the loss of crescent-shaped BAR domain proteins such as Rvs167 could therefore trigger membrane scission
Transient domain formation in membrane-bound organelles undergoing maturation
No full textInternational audienc
Les membranes cellulaires (identité et transport)
No full textDans ce travail théorique, nous avons étudié les relations entre l'identité d'une membrane (sa composition chimique et ses propriétés physique), le transport lié à cette membrane, et la structure adoptée par cette membrane.Nous avons d'abord étudié l'entrée de pathogènes dans la cellule. Nous avons montré que ce sont les propriétés physiques et la composition de la membrane qui contrôlent l'entrée des pathogènes dans la cellule en contrôlant leur adhésion sur la membrane et leur agrégation. Nous nous sommes ensuite tournés vers le transport dans l'appareil de Golgi, où nous montrons qu'une formulation adéquate des processus de transport permet de donner une interprétation précise d'expériences passées. Nous avons montré que des différences d'identité dans les membranes peuvent causer un transport des molécules dans l'appareil de Golgi. Nous nous intéressons ensuite à la maintenance de cette identité dans des organelles qui s'échangent en permanence des molécules. Nous montrons que cet échange doit avoir des propriétés particulières pour permettre la conservation de l'identité. Ces propriétés du transport ont un grand rôle sur la physiologie de l'organelle, et nous montrons qu'ils peuvent augmenter le rendement de l'appareil de Golgi.Enfin, nous montrons que le changement progressif d'identité dans un organelle peut contrôler la structure même de cet organelle.PARIS-BIUSJ-Biologie recherche (751052107) / SudocSudocFranceF
Scaling properties of centering forces
No full textInternational audienceMotivated by the centering of microtubule asters in cells, we study the general properties of three types of centering forces : bulk pulling forces, surface (cortical) pulling forces, and pushing forces. We evidence unexpected scaling laws between the net force on the aster and its position for different modes of centering, and also address how the effective centering stiffness depends on cell size. Importantly, we find that both scaling laws and effective stiffness depend on the spatial dimensions, and thus that 1D and 2D ansatz usually considered could misguide the interpretation of experimental results. We also show how scaling laws depend on cell shape. While some hold for any convex cell, others strongly depend on the shape. By deriving these scaling laws for any spatial dimension, we generalize these results beyond the biological perspective. This analysis provides a broad framework to understand shape sensing mechanisms
Amplification of actin polymerization forces
No full textThe actin cytoskeleton drives many essential processes in vivo, using molecular motors and actin assembly as force generators. We discuss here the propagation of forces caused by actin polymerization, highlighting simple configurations where the force developed by the network can exceed the sum of the polymerization forces from all filaments
Rotation-Beating dynamics of a driven flexible filament: role of motor protein properties
No full textWe have used numerical simulations to investigate how the properties of motor proteins control the dynamical behavior of a driven flexible filament. The filament is pinned at one end and positioned on top of a patch of anchored motor proteins, a setup commonly referred to as a spiral gliding assay. In nature, there is a variety of motor proteins with different properties. In this study, we have investigated the role of detachment rate, detachment force, stall force, and unloaded speed of motors on the dynamical behavior of the filament. We found that this system generally can show three different regimes: 1) Fluctuation, where the filament undergoes random fluctuations because the motors are unable to bend it. 2) Rotation, in which the filament bends and then moves continuously in one direction. 3) Beating, where the filament\u27s direction of rotation changes over time. We found that the transition between fluctuation and rotation occurs when motors exert a force sufficient to buckle the filament. The threshold force coincides to the second buckling mode of a filament undergoing a continuously distributed load. Moreover, we showed that when motors near the pining point work close to their stall force, they get stuck and act as a second pin, leading to the beating regime
