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La Biologia è dinamica (...e bagnata):
un'escursione "da fisici"
Onde metacronali in
Volvox carteri
Flusso citoplasmatico in
Chara corallina
Woodhouse F.G., Goldstein R.E. PNAS (2013)
Marco Polin
Dipartimento di Fisica
University of Warwick
1 µm
Diffusione
10 µm
Trasporto via
motori molecolari
Divisione batterica:
Dove ci dividiamo?
100 µm
Movimento
cellulare
Come nuotano
i microorganismi?
Flusso
citoplasmatico
spessore
capello
umano
dividiamo!
grosso
fine
Colloide
Molecola
d'acqua
Moto browniano a
temperatura
ambiente:
. 10 µm
{
Taglia
cellulare !
colloidi di vetro acqua
Moto
browniano!
Moto browniano:
la prima evidenza diretta della natura atomica della materia
1905
1913
moto spontaneo di
grani di polline!
collisione casuale con
molecole di acqua!
prima verifica
quantitativa
Robert Brown
Albert Einstein
Jean Baptiste Perrin
spostamento
1827
i
d
o
t
o
m
o
t
t
re
o
n
a
i
n
w
ro
b
o
t
o
m
tempo (t)
vt
p
2D t
Costante di diffusione per sfere
kB T
D=
6 µr
viscositá
costante di
Boltzmann
temperatura
(Kelvin)
raggio sfera
Diffusione:
omogeneizzazione efficace su piccola scala
y
⌦
x0
(x(t)
x(t)
x0 )
batterio
L ' 2 µm
↵
2
Tempo per diffondere
una distanza L in 1D
Costante di
diffusione
L2
tL '
2D
kB T
D=
6 µr
x
= 2Dt
kB T ' 4 ⇥ 10
21
J
(1 J ' 0.00025 Kcal)
(citoplasma)
(acqua:
)
(raggio proteina)
tdivisione ⇠ 20 min
batterio
L ' 2 µm
scala temporale per
omogeneizzazione intra-cellulare:
processo rapido
Citoplasma dei batteri è omogeneo
(grazie al moto browniano)
Meinhardt H., de Boer P., PNAS (2001).
bar = 2 micron
Oscillazioni periodiche nella concentrazione della proteina
MinD !!!
Inomogeneità usate come segnali spaziali
Dov'è il
Centro??
Angert E., Nat. Rev. Microbiol. (2005)
Kiekebusch D., Thanbichler M. Trends in Microbiol. (2014)
Ricostruzione in vitro oscillazioni Min
Zieske K., Schwille P. eLife (2014)
Modulazione della diffusione usando ATP
("valuta" energetica cellulare)
e gli eucarioti??
singola proteina
L2
tL '
2D
vescicola intracellulare
Per cellule eucariote, la diffusione è lenta
Trasporto attivo: citoscheletro e motori molecolari
Citoscheletro
Filamenti del citoscheletro...
Botany Visual Resource Library
Laboratory of Molecular Cell Biology, UCL (UK)
Utilizzano energia per muoversi
(1 ATP per passo)
...e proteine motore
Flusso citoplasmatico causato da motori molecolari
Chara corallina
Filamenti di
actina
Motori molecolari + cargo
Woodhouse F G , and Goldstein R E PNAS 2013;110:14132-14137
Flusso secondario trasversale
Drastico aumento di:
• Velocità di assorbimento nutrienti
• Velocità di omogeneizzazione del
contenuto cellulare: mescolamento
Mescolare piccoli volumi di fluido
è difficile
Il numero di Reynolds: bilancio tra inerzia e viscositá
Il fluido gira
per inerzia
Viscositá
Piú aumenta la viscositá, prima si ferma il fluido
Re
forze inerziali
U L⇢
Re =
=
forze viscose
µ
U
L
lunghezza tipica
⇢ = 10 Kg/m
µ = 10
3
3
Pa s
Inerzia vince
Re ⇠ 106 (1.000.000)
persona in piscina
Re ⇠ 103 (1.000)
tazzina caffé
velocitá tipica
3
1
densitá
viscositá
protozoo che nuota
Re ⇠ 10
2
(0.01)
flusso citoplasmatico
Re ⇠ 10
5
(0.00001)
Re ⌧ 1
Viscositá vince
Esempio macroscopico di Re ⌧ 1
glicerina
Completamente reversibile !!
Reversibilità a Re ⌧ 1
Movimento di microorganismi
Il "teorema della cappa santa"
(Edward Purcell, 1977)
Simmetrico per inversione temporale !
Se Re ⌧ 1
Il tempo non importa. Le configurazioni
durante il moto sono le stesse, sia che il
moto sia veloce, sia che sia lento,
sia che sia in avanti o indietro nel tempo.
Le vere capesante nuotano “in avanti”...
Microorganismi Procarioti e Eucarioti:
due soluzioni al problema del nuoto
⇠ µm
Procarioti
(batteri)
E. coli
⇠ 10µm
larghezza media
capello umano
⇠ 100µm
Eucarioti
coanoflagellati
spermatozoi
kinglab.berkeley.edu
stanford.edu/group/Urchin
protisti
alghe
V. cholerae
H. pilori
Brennen and Winet (1977)
Ciglia e flagelli negli eucarioti
A
Outer dynein arm
Table 1 Known Chlamydomonas outer dynein arm
Outer dynein arm
subunits and associated A
proteins
Inner dynein arm
Central pair
Radial spoke
Outer doublet
Flagellar membrane
B
C
Wildtype
Chlamydomonas
Chlamydomonas
ODA-IC1 mutant
Homo
sapiens
Wildtype
Homo sapiens
Pazour
etHuman
al. (2006)
ODA-IC1 mutant
10 µm
http://en.wikipedia.org
•trasporto
•propulsione
•percezione meccanica
•percezione chimica
•regolazione del ciclo
cellulare
•....
Protein
Mutant
gene
Mutant phenotype
altamente conservati
sofisticati
250 nm
Human outer dynein arm genes
Heavy chains
DHCa
oda11
DHCb
oda4
DHCc
oda2
Intermediate chains
IC1
oda9
IC2
oda6
Light chains
LC1
LC2
oda12
LC3
LC4
LC5
LC6
oda13
LC7a
oda15
LC7b
LC8
fla14
Docking complex
DC1
oda3
DC2
oda1
DC3
oda14
Associated proteins
ODA5
oda5
ODA5-AK
Reference
Inner dynein arm
Central pair
Loss of part of outer arm
Loss of outer arm
Loss of outer arm
15, 17, 18, 64
Radial spoke
14, 15, 17, 65
15, 16
Loss of outer arm
Loss of outer arm
15, 24
15, 23
Outer doublet
Chlamydomonas
Unknown
27
B(alga biflagellata)
Wildtype
Loss of outer arm
28, 29
Flagellar membrane
Chlamydomonas
34
Unknown
Unknown
Unknown
No structural defect;
slightly slow swimming
Loss of outer arm
Unknown
Loss of outer arm+others
44, 45
46
41, 43
Loss of outer arm
Loss of outer arm
Loss of most outer arms
15, 48
15, 49
50
Wildtyp
Homo sap
40
34
45
LossCof outerChlamydomonas
arm
15, 51
Unknown ODA-IC1 mutant
51
Human
ODA-IC1 m
10 µm
peptide sequence encoded by each of the loci in the
supplemental material (available at http://www.jmedgenet.
com/supplemental).
METHODS
Figure 1 The ‘‘9+2’’ axoneme is structurally similar in Chlamydomonas
and humans. (A) Schematic cross section of a 9+2 cilium showing the
major axonemal substructures. (B, C) Cross sections of wildtype (B) and
mutant (C) cilia from Chlamydomonas and humans. An outer dynein
arm in each wildtype cilium is marked with an arrow. In the mutants of
both species, a defect in the gene encoding the IC1 subunit of the outer
arm dynein results in loss of the outer arms (arrows). The
Chlamydomonas images are from Wilkerson et al,24 and the human
images are from Pennarun et al3 and are used with permission.
Prof. U. B. Kaupp,
Forschungszentrum Jülich
outer arm assembly. All of these subunits have been cloned
and sequenced (table 1). Importantly, mutational analysis
indicates that defects in most of the above proteins, even
including the LCs, can cause loss of the outer dynein arms in
Chlamydomonas (table 1). Therefore, the human genes
encoding orthologues of all of these proteins are candidates
for causing PCD in those human patients with outer dynein
arm defects. In addition to identifying these potential
orthologues, we also place the outer dynein arm loci on the
human genetic map for easy comparison with known or
suspected PCD loci.
Bioinformatics
BLAST searches were performed using the NCBI BLAST
Figure 1 The ‘‘9+2’’ axoneme Multiple
is structurally similar in Chl
server
(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/).
11
and
humans.
(A)
Schematic
cross
section of a 9+2 cilium
sequences were aligned with ClustalW and phylogenetic
major axonemal
substructures. (B, C) Cross sections of wil
12
positions
trees were drawn with NJPlot.
mutant (C)Human
cilia fromgenome
Chlamydomonas
and humans. An o
were identified using the NCBI
genome
BLAST
server
arm inhuman
each wildtype
cilium
is marked
with an arrow. In t
both species, a defect in the gene encoding
(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/seq/HsBlast.html)
and the IC1 subun
arm
results in loss
the outer arms
the Golden Path web server
atdynein
the University
of ofCalifornia
at (arrows). The
Chlamydomonas images are from Wilkerson et al,24 and
Santa Cruz (http://genome.ucsc.edu).
images are from Pennarun et al3 and are used with perm
RESULTS
outer arm assembly. All of these subunits have b
and sequenced (table 1). Importantly, mutation
HC genes
indicates
that defects
most the
of the above pro
Dynein HCs are large ,450
kDa proteins
that in
convert
including
the
LCs,
can
cause
loss
of the outer dyn
energy of ATP to force. These proteins have an N-terminal tail
Chlamydomonas
(table
1).
Therefore,
the hum
connected to a C-terminal globular head. The N-terminal tail
orthologues
all of these
binds ICs and most LCs encoding
and is thought
to beofinvolved
in proteins are
for
causing
PCD
in
those
human
patients with o
binding the dynein motor to microtubules or cargo in an ATP
arm
defects.
In
addition
to
identifying
thes
insensitive manner. The globular head is made up of six AAA
orthologues, we also place the outer dynein arm
domains organised in a hexameric ring with a short
human genetic map for easy comparison with
extension protruding from the ring that is postulated to bind
suspected PCD loci.
microtubules in an ATP sensitive manner.13 The
The nomenclature of dynein genes is comp
stessa struttura, diversi tipi di
movimento non reversibile
In gruppi di ciglia e flagelli emerge spontaneamente
un movimento coordinato
Paramecio (protozoo)
Opalina (protozoo)
Mucosa vie respiratorie (rana)
10 µm
5 µm
onde metacronali
Brennen and Winet (1977)
Quale origine ha questo fenomeno?
Un modello per lo studio di onde metacronali:
la microalga Volvox carteri
Volvox carteri
100 µm
cellule somatiche sulla superficie di Volvox
Due cellule si sincronizzano?
Esperimenti con cellule somatiche isolate
d = 48µm
d = 37µm
d = 25µm
La sincronizzazione è causata da
interazioni fisiche (idrodinamica)!
d = 20µm
1 µm
Diffusione
10 µm
Trasporto via
motori molecolari
100 µm
Movimento
cellulare
Gradienti intracellulari
"Micronuotatori"
Flusso citoplasmatico