Trafic régulé par les jonctions : un modèle stochastique motivé par le transport cytosquelettique

by Adélaïde Raguin

Doctoral thesis in Physique

Under the supervision of Andrea Parmeggiani and Norbert Kern.

defended on 17-12-2013

in Montpellier 2 , under the authority of Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2014) , in a partnership with Laboratoire Charles Coulomb (Montpellier) (laboratoire) .

  • Alternative Title

    Traffic regulated by junctions : a stochastic model motivated by cytoskeletal transport


  • Abstract

    Cytoskeletal transport modeling contributes to the understanding of complex biological phenomena that are associated to vital cell functions.In addition, this approach addresses new questions in fundamental physics related to the transport of a gas of particles, interacting by excluded volume, and out of equilibrium transport.The study is based on the Totally Asymmetric Simple Exclusion Process (TASEP) model, treated in a mean field approach, and the results are compared to Monte Carlo simulations.Considering that the transport on the whole network can be regulated at junctions, we focus on simple patterns with one junction, and we investigate the regulation of transport due to the local kinetics and topology.We build up an analytical and numerical methodology of calculation motivated by experimentally observed structures.The analysis of kinetic and topological characteristics at the crossings of filaments, even in very distinct situations, can lead to the same generic models.Our work also provides insights into the effects of averaging on protofilaments at crossing microtubules, as it is inherent to current imaging experiments.The double approach, analytical and numerical, on generic models, opens many prospects.Notably, we have at our disposal the tools to investigate transport through a more realistic crossing of two typical microtubules with thirteen protofilaments each, and to deal with the particular kinetics of motor proteins on these filaments.


  • Abstract

    La modélisation du transport cytosquelettique contribue d'une part à la compréhension de phénomènes biologiques complexes associés à des fonctionnalités cellulaires vitales.D'autre part, cette approche adresse de nouvelles réflexions en physique fondamentale du transport dirigé d'un gaz de particules, en interactions de volume exclu, et hors équilibre thermodynamique.L'étude proposée est basée sur le modèle Totally Asymmetric Simple Exclusion Process (TASEP), traité en champ moyen, et dont les résultats sont comparés à des simulations de type Monte Carlo.En considérant que le transport sur l'ensemble du réseau cytosquelettique peut être régulé aux jonctions, on se focalise sur des motifs architecturaux simples, autour d'une jonction, à laquelle on s'intéresse à la régulation du transport par des effets cinétiques et topologiques.Ainsi, on construit une méthodologie de calcul analytique et numérique, motivée par des configurations de transport observées expérimentalement.L'analyse des caractéristiques cinétiques et topologiques aux croisements des filaments du cytosquelette, pour des situations de transport pourtant très différentes, conduit à formuler les mêmes modèles génériques.Notre travail apporte également un éclairage sur l'effet des moyennes sur les protofilaments au croisement de deux microtubules, qui est inhérent aux limites de résolution de l'imagerie expérimentale actuelle.La double approche, analytique et numérique, sur des modèles génériques ouvre de nombreuses perspectives, nous disposons notamment de tous les outils pour aborder le transport à un croisement plus réaliste de deux microtubules, en prenant en compte la connectivité à la jonction des treize protofilaments typiques, et la cinétique particulière des protéines motrices sur chacun d'eux.


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