A Mecânica das Redes de Actomiosinas (Poro-)Contráteis Elásticas como Sistema Modelo do Citoesqueleto Celular
Summary
Neste trabalho, uma abordagem de reconstituição in vitro é empregada para estudar a poroelasticidade de géis de actomiosina sob condições controladas. A dinâmica do gel de actomiosina e do solvente incorporado é quantificada, através da qual a poroelasticidade da rede é demonstrada. Também discutimos os desafios experimentais, armadilhas comuns e relevância para a mecânica do citoesqueleto celular.
Abstract
As células podem mudar ativamente suas formas e se tornar móveis, uma propriedade que depende de sua capacidade de reorganizar ativamente sua estrutura interna. Essa característica é atribuída às propriedades mecânicas e dinâmicas do citoesqueleto celular, notadamente o citoesqueleto da actomiosina, que é um gel ativo de filamentos de actina polar, motores de miosina e proteínas acessórias que exibem propriedades de contração intrínsecas. A visão usualmente aceita é que o citoesqueleto se comporta como um material viscoelástico. No entanto, esse modelo nem sempre pode explicar os resultados experimentais, que são mais consistentes com um quadro que descreve o citoesqueleto como um material ativo poroelástico – uma rede elástica embebida com citosol. Gradientes de contratilidade gerados pelos motores da miosina conduzem o fluxo do citosol através dos poros do gel, o que infere que a mecânica do citoesqueleto e do citosol estão firmemente acoplados. Uma das principais características da poroelasticidade é a relaxação difusiva das tensões na rede, caracterizada por uma constante de difusão efetiva que depende do módulo elástico do gel, porosidade e viscosidade do citosol (solvente). Como as células têm muitas maneiras de regular sua estrutura e propriedades materiais, nossa compreensão atual de como a mecânica do citoesqueleto e a dinâmica do fluxo citosol são acopladas permanece pouco compreendida. Aqui, uma abordagem de reconstituição in vitro é empregada para caracterizar as propriedades materiais de géis de actomiosina poroelásticos como um sistema modelo para o citoesqueleto celular. A contração do gel é impulsionada pela contratilidade motora da miosina, que leva ao surgimento de um fluxo do solvente penetrante. O artigo descreve como preparar esses géis e executar experimentos. Também discutimos como medir e analisar o fluxo de solvente e a contração do gel em escala local e global. As várias relações de escala usadas para quantificação de dados são dadas. Finalmente, os desafios experimentais e as armadilhas comuns são discutidos, incluindo sua relevância para a mecânica do citoesqueleto celular.
Introduction
As células vivas têm propriedades mecânicas únicas. Além da capacidade de reagir passivamente às forças aplicadas, elas também são capazes de gerar ativamente forças em resposta a estímulos externos1. Essas características, essenciais para uma variedade de processos celulares, notadamente durante a motilidade celular, são primariamente atribuídas às propriedades mecânicas e dinâmicas do citoesqueleto celular, especialmente do citoesqueleto de actomiosina, que é um gel ativo de filamentos de actina polar, motores moleculares de miosina e proteínas acessórias. Essas redes de actomiosinas exibem propriedades intrínsecas de auto-organização e contração impulsionadas pelas proteínas motoras da miosina, que reticulam os filamentos de actina e geram ativamente tensões mecânicas na rede alimentada pela hidrólise de ATP2.
Inúmeros estudos experimentais e teóricos têm sido realizados para estudar as propriedades materiais do citoesqueleto3. A visão comumente aceita é que o citoesqueleto se comporta como um material viscoelástico4. Isso significa que, em escalas de tempo curtas, o citoesqueleto se comporta como um material elástico e, em longas escalas de tempo, comporta-se como um fluido viscoso devido às proteínas de reticulação e ao descolamento motor (e religação) da miosina, o que permite que a rede se transforme dinamicamente. Em muitas situações, entretanto, o modelo viscoelástico não consegue descrever os resultados experimentais, que são mais consistentes com um quadro que descreve o citoesqueleto e, de modo mais geral, o citoplasma da célula sendo descrito como um material ativo poroelástico 5,6. Duas características principais caracterizam esses tipos de materiais. (i) A primeira característica principal é a geração de um fluxo do citosol penetrante (o “solvente”) através dos poros do gel por gradientes de contratilidade impulsionados pelos motores da miosina, que está subjacente a processos como o blebbing celular7, a motilidade8 e as oscilações da forma celular9. O surgimento desses fluxos citosólicos pode ser local, por blebbing, ou global, como na motilidade celular. Neste último caso, as tensões contráteis aplicadas na parte traseira da célula direcionam o fluxo do fluido citosólico em direção à frente celular, o que repõe o pool proteico necessário para a montagem dos lamelípodes8. (ii) A segunda característica principal é que a relaxação das tensões é difusiva e é caracterizada por uma constante de difusão efetiva, que depende do módulo elástico do gel, da porosidade do gel e da viscosidade do solvente5. A constante de difusão poroelástica determina a rapidez com que o sistema responde a uma tensão aplicada. Constantes de maior difusão correspondem a uma redistribuição mais rápida das tensões. Isso, por sua vez, determina quanto tempo leva para que o líquido citosólico intracelular seja redistribuído dentro da célula após o estresse mecânico aplicado, seja ele externo ou interno, como os estresses contráteis ativos gerados pelos motores da miosina. Esses exemplos, portanto, demonstram que a mecânica do citoesqueleto e do citosol estão firmemente acoplados e não podem ser tratados separadamente3.
Como as células podem regular suas propriedades mecânicas de várias maneiras, a interação entre a mecânica da rede e a dinâmica do fluxo de fluidos permanece pouco compreendida. Uma abordagem alternativa poderosa é a utilização de sistemas reconstituídos in vitro que permitam o controle total dos vários constituintes microscópicos e dos parâmetros do sistema, o que torna esses sistemas-modelo ótimos para análises físicas10,11. Esta abordagem tem sido empregada com sucesso para estudar o impacto da composição proteica e da geometria do sistema na motilidade baseada em actina 12,13,14,15,16,17,18, na padronização 2D de redes de actomiosinas 19,20,21,22, e a interação entre a contratilidade da rede e a dinâmica do fluxo de fluidos de géis de actomiosina poroelásticos, que é o foco deste artigo23.
Neste manuscrito, a preparação de redes de actomiosina elástica contrátil de dimensões controláveis e propriedades do material é discutida com base no trabalho de Ideses et al.23. A dinâmica do gel de contração e do solvente drenado é analisada e quantificada, através da qual é demonstrado que estes géis de actomiosina podem ser descritos como um material ativo poroelástico. O estudo do efeito da viscosidade do solvente na difusividade de tensões confirma ainda mais a natureza poroelástica dessas redes. As várias relações de dimensionamento usadas para quantificação de dados são fornecidas. Finalmente, os desafios experimentais, as armadilhas comuns e a relevância dos resultados experimentais para o citoesqueleto celular também são discutidos.
Protocol
Representative Results
Discussion
Aqui, uma abordagem in vitro é empregada para caracterizar a mecânica dos géis de actomiosina poroelásticos como um sistema modelo do citoesqueleto celular e, mais geralmente, do citoplasma celular, que tem demonstrado se comportar como um material poroelástico 3,5. A reologia do citoesqueleto celular (citoplasma) tem sido caracterizada por uma constante de difusão poroelástica, que determina quanto tempo leva para o líquido citosólico intracelu…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gostaríamos de agradecer a Dina Aranovich pela purificação e rotulagem das proteínas. G.L. é grato ao Ministério da Ciência, Tecnologia e Espaço de Israel pela Bolsa de Doutorado Jabotinsky. A.B.G. agradece à Israel Science Foundation (processo 2101/20) e ao Ministério da Ciência e Tecnologia – Estado de Israel (grant 3-17491) pelo apoio financeiro.
Materials
| (3-Mercaptopropyl)trimethoxysilane | Sigma-Aldrich Company | 175617 | Stored under Argon atmosphere at 4 °C |
| Acetic acid | Bio-Lab ltd | 1070521 | |
| Alexa-Fluor 488 | Invitrogene | A10254 | Diluted with DMSO, stored under Argon atmosphere at -20 °C |
| Alexa-Fluor 647 | Invitrogene | A20347 | Diluted with DMSO, stored under Argon atmosphere at -20 °C |
| BSA | Sigma -Aldrich Company | A3059 | Stored at 4 °C |
| Catalase | Sigma -Aldrich Company | C9322 | The stock bottle is kept under dry atmosphere (silica gel) at -20 °C |
| Coverslips | Mezel-glaser | CG2222-1.5 | Kept in milliQ-water after the Piranha treatment and used within 3 weeks |
| Creatine kinase | Roche Life Science Products | 10736988001 | Prepared fresh in glycine buffer, kep on ice, and used within 3 days. The stock bottle is kept under dry atmosphere (silica gel) at 4 °C |
| Creatine phosphate | Roche Life Science Products | 10621714001 | When dissolved should be kept at -20 °C and used within 3 months. The stock bottle is kept under Argon atmosphere and stored at 4 °C |
| DTT | Roche Life Science Products | 10708984001 | When dissolved should be kept at -20 °C and used within 3 months |
| Dual view Simultaneous Imaging System | Photometrics | DV2-CUBE | |
| EGTA | MP Biomedicals | 195174 | |
| EM-CCD Camera | Andor Technology Ltd | DV 887 | |
| EM-CCD Camera | Photometrics | Evolve Delta | |
| Ethanol | Bio-Lab ltd | 525050300 | |
| Flourescence Lamp | Rapp Optoelectronic | ||
| Fluoresbrite YG Microspheres | Polysciences | 17151-10 | 200 nm diameter |
| Glucose | ICN Biomedicals Inc | 194024 | When dissolved should be kept at -20 °C and used within 3 months. |
| Glucose oxidase | Sigma-Aldrich Company | G7141 | Kept in -20 °C and used within 3 months. The stock powder is kept under Argon atmosphere and kept at -20 °C |
| Glycerol | ICN Biomedicals Inc | 800687 | |
| Glycine | MP Biomedicals | 808822 | |
| Hydrogen Peroxide | Sigma-Aldrich Company | 216763 | Stored at 4 °C |
| KCl | EMD Millipore Corp. | 529552 | |
| Methanol | Bio-Lab ltd | 1368052100 | |
| MgCl2 | EMD Millipore Corp. | 442615 | |
| Microscope | Leica Microsystems | DMI3000 | |
| mPEG-mal | Nanocs | PG1-ML-5k | Mw = 5000 Da. Divided to small batches by weight. Stored under Argon atmosphere at -20 °C |
| Nile red microspheres | Spherotech | FP-2056-2 | 2300 nm diameter |
| Objective (10x) | Leica Germany | HC PL AP0 | UPlanFL Numerical Aperture = 0.3 |
| Objective (2.5x) | Leica Germany | 506304 | Plan-NEOFLUAR Numerical Aperture = 0.075 |
| Oven | WTC Binder | ||
| Parafilm | Amcor | PM-996 | |
| PBS Buffer | Sigma-Aldrich Company | P4417 | |
| Shutter Driver | Vincet Associates | VMM D1 | |
| Silica gel | Merck | 1.01907.5000 | |
| Sonicator | Elma | Elmasonic P | |
| Sulfuric acid | Carlo Erba reagents | 410301 | |
| DV2 Dual-Channel Simultaneous-Imaging System | Photometrics | ||
| TRIS | MP Biomedicals | 819620 | |
| UV-VIS Spectrophotometer | Pharmacia | Ultraspec 2100 pro | |
| MICROMAN E | Gilson | FD10001 | 1–10 uL |
| MATLAB R2017b | MathWorks | Data quantification | |
| MetaMorph | Molecular devices | Control software of the optical imaging system; data quantification (particle tracking analysis, network mesh size) |
References
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