Cells as liquid motors: Mechanosensitivity emerges from collective dynamics of actomyosin cortex
Les cellules en tant que moteur liquide : la mécanosensibilité émerge de la dynamique collective de l'actomyosine corticale
Résumé
Living cells adapt and respond actively to the mechanical properties of their environment. In addition to biochemical mechanotransduction, evidence exists for a myosin-dependent purely mechanical sensitivity to the stiffness of the surroundings at the scale of the whole cell. Using a minimal model of the dynamics of actomyosin cortex, we show that the interplay of myosin power strokes with the rapidly remodeling actin network results in a regulation of force and cell shape that adapts to the stiffness of the environment. Instantaneous changes of the environment stiffness are found to trigger an intrinsic mechanical response of the actomyosin cortex. Cortical retrograde flow resulting from actin polymerization at the edges is shown to be modulated by the stress resulting from myosin contractility, which in turn, regulates the cell length in a force-dependent manner. The model describes the maximum force that cells can exert and the maximum speed at which they can contract, which are measured experimentally. These limiting cases are found to be associated with energy dissipation phenomena, which are of the same nature as those taking place during the contraction of a whole muscle. This similarity explains the fact that single nonmuscle cell and whole-muscle contraction both follow a Hill-like force–velocity relationship.
Parmi les nombreuses énigmes posées par les cellules vivantes, leur
capacité à se déplacer et à changer de forme a attiré notre attention en
tant que physiciens. Une double approche de modélisation et d'expériences
nous conduit à expliquer deux observations troublantes : premièrement, la
cellule adapte l'intensité des forces avec lesquelles elle tire sur son
environnement selon la rigidité de celui-ci. Et deuxièmement, pendant
qu'une cellule progresse dans une direction en développant une
protrusion, son squelette interne s'écoule en fait dans l'autre direction,
dans un mouvement apparemment contre-productif, appelé écoulement
rétrograde. Nous montrons que ces deux phénomènes émanent d'une même
propriété paradoxale du squelette interne de la cellule, qui est fait de
filaments d'actine assemblés en un réseau. Cet assemblage est bâti
par des liens dont la durée de vie est très courte, ce qui en fait en
réalité un liquide qui va lentement s'écouler. À première vue, cela paraît
incompatible avec l'observation, puisque la forme d'un liquide est dictée
par son environnement, alors que les cellules déforment activement leur
milieu. Cependant, parmi les liens formant le réseau d'actine se trouvent
des moteurs moléculaires, appelés myosines, capables de tirer sur les
filaments d'actine et ainsi d'engendrer un écoulement de l'intérieur. Nous
montrons que c'est l'interaction de ces myosines avec la rigidité de
l'extérieur qui détermine la forme que la cellule prendra. Cela implique
une consommation continuelle d'énergie par les myosines même lorsque la
cellule est globalement immobile, mais nous montrons que ce fonctionnement
dote le squelette cellulaire de deux avantages cruciaux : l'agilité d'un
liquide pour s'adapter et accomplir les multiples rôles physiologiques de
la cellule, et simultanément la résistance d'un solide élastique qui répond
instantanément à des sollicitations mécaniques.
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