Modélisation stochastique de processus intracellulaires : transport bidirectionnel et dynamique de microtubules

Stochastic modeling of intracellular processes : bidirectional transport and microtubule dynamics

• Auteur / Autrice : Maximilian Ebbinghaus
• Direction : Cécile Appert-Rolland, Ludger Santen, Hendrik-jan Hilhorst
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique théorique
• Date : Soutenance le 21/04/2011
• Etablissement(s) : Paris 11 en cotutelle avec Universität des Saarlandes - Physik und Mechatronik - Technischen Fakultät II
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique de la région parisienne (....-2013)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cécile Appert-Rolland, Ludger Santen, Hendrik-jan Hilhorst, Enrico Carlon, Martin R. Evans
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Enrico Carlon, Martin R. Evans

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transport biologique

Mécanique statistique

Processus stochastiques

Mots clés libres

Modélisation stochastique

Systèmes hors équilibre

Transport intracellulaire

Dynamique de microtubules

Stochastic modeling

Non-equilibrium systems

Intracellular transport

Microtubule dynamics

Résumé

Dans cette thèse, des méthodes de la physique statistique hors équilibre sont utilisées pour décrire deux processus intracellulaires. Le transport bidirectionnel sur les microtubules est décrit à l'aide d'un gaz sur réseau stochastique quasi-unidimensionnel. Deux espèces de particules sautent dans des directions opposées en interagissant par exclusion. La présence habituelle d'accumulations de particules peut être supprimée en rajoutant la dynamique du réseau, c'est-à-dire de la microtubule. Un modèle simplifié pour la dynamique du réseau produit une transition de phase vers un état homogène avec un transport très efficace dans les deux directions. Dans la limite thermodynamique, une propriété de l'état stationnaire limite la longueur maximale des accumulations. La formation de voies peut être causée par des interactions entre particules. Néanmoins, ces mécanismes s'avèrent peu robustes face à une variation des paramètres du modèle. Dans presque tous les cas, la dynamique du réseau a un effet positif et bien plus important sur le transport que la formation de voies. Par conséquent, la dynamique du réseau semble un point-clé pour comprendre la régulation du transport intracellulaire. La dernière partie introduit un modèle pour la dynamique d'une microtubule sous l'action d'une protéine qui favorise les sauvetages. Des phénomènes intéressants de vieillissement apparaissent alors, et devraient être observables dans des expériences.

This thesis uses methods and models from non-equilibrium statistical physics to describe intracellular processes. Bidirectional microtubule-based transport within axons is modeled as a quasi-one-dimensional stochastic lattice gas with two particle species moving in opposite directions under mutual exclusion interaction. Generically occurring clusters of particles in current models for intracellular transport can be dissolved by additionally considering the dynamics of the transport lattice, i.e., the microtubule. An idealized model for the lattice dynamics is used to create a phase transition toward a homogenous state with efficient transport in both directions. In the thermodynamic limit, a steady state property of the dynamic lattice limits the maximal size of clusters. Lane formation mechanisms which are due to specific particle-particle interactions turn out to be very sensitive to the model assumptions. Furthermore, even if some particle-particle interaction is considered, taking the lattice dynamics into account almost always improves transport. Thus the lattice dynamics seems to be the key aspect in understanding how nature regulates intracellular traffic. The last part introduces a model for the dynamics of a microtubule which is limited in its growth by the cell boundary. The action of a rescue-enhancing protein which is added to the growing tip of a microtubule and then slowly dissociates leads to interesting aging effects which should be experimentally observable.