Stochastic mathematical-computational simulations to unravel mechanical relations of fluid flow and influence of actin regulators on filopodial dynamics

Abstract

A actina é a proteína mais abundante nas células eucarióticas, onde formam polímeros filamentosos (actina-F) e se organizam em redes que fornecem o esqueleto das células e desempenham papéis vitais em muitas funções celulares. Por exemplo, feixes paralelos proeminentes de actina-F mediam a formação e a dinâmica dos filopódios, que são longas protrusões de membrana, semelhantes a dedos, em células ou neurônios em crescimento. Os filopódios têm funções importantes na migração e comunicação celular, relevantes para o desenvolvimento neural, envelhecimento, degeneração e regeneração. No filopódio, a actina-F exibe um padrão de “esteira” constante, isto é, refluxo de todo o feixe de actina-F impulsionado por sua polimerização na ponta distal do filopódio e sua desmontagem concomitante na base do filopódio. Sabe-se que várias proteínas reguladoras da actina mediam e regulam esses processos. Além disso, grandes quantidades de actinas monoméricas são necessárias como blocos de construção na ponta dos filopódios e precisam percorrer todo o estreito espaço interno ao longo do comprimento dos filopódios. Para entender as bases mecânicas da esteira de actinas no filopódio, este trabalho apresenta uma formulação alternativa de modelo estocástico que simula os deslocamentos de moléculas. Ele considera não apenas difusão como fenômeno de transporte essencial, mas inclui fluxo citoplasmático na direção do topo (a fim de repor o volume removido pelo fluxo retrógrado dos filamentos de actina), mas também as propriedades e afinidades específicas dos reguladores de actina, em particular profilina e Ena/VASP. Uma implementação que integra parâmetros físicos e bioquímicos em um modelo computacional foi possível por meio de simulações centradas em partículas, uma abordagem que se mostra sem precedente em modelagem na biologia. Quando aplicado, o modelo centrado em partículas desenvolvido gerou filopódios de até 40 µm de comprimento, a dinâmica do fluxo interno no filopódio pôde ser deduzida e nos permitiu testar como os diferentes parâmetros contribuem para esta dinâmica. Além disso, tem a capacidade de ser refinado ao adicionar gradualmente mais ou melhores parâmetros obtidos por estudos biológicos ou físicos, servindo assim como um meio interativo de previsão e validação. O modelo centrado nas partículas desenvolvido aqui demonstra claramente o potencial desta estratégia para uma ampla aplicação em problemas biológicos.