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Theses Year : 2012

Non-equilibrium behavior of the cellular cortex

Étude du comportement hors-équilibre du cortex cellulaire

Abstract

By consuming energy from the hydrolysis of ATP, cells are able to exert forces that stem from biochemical reactions. A central element of cells is the cytoskeleton, which is mainly composed of microtubules and actin filaments and accounts for the architecture and most of the mechanical properties of the cells. It is made of crosslinked polymers and, in terms of rheology, has a viscoelastic behavior. Within the cytoskeleton, processes such as actin or microtubule polymerization can exert forces. Proteins from the molecular motor family have the specific role of converting the energy stored in chemical form into mechanical energy. The out-of-equilibrium mechanical activity of the cell is directly related to these forces of biochemical origin. In this work, we studied the statistical distribution of biochemical forces exerted on a micrometer-sized bead attached to the actin cortex through cell adhesion receptors: integrins. The study of the forces of biological origin is inseparable from knowledge of the forces of thermal origin because, at this microscopic scale, the contribution of thermal forces is not negligible. The forces acting on the probe have two possible origins: biological or thermal. Our experimental approach is based on the combination of two microrheology techniques, active and passive, which allows us to calculate the temporal autocorrelation function of the forces exerted on a probe attached to the cortical actin and compare it to the autocorrelation function of the estimated thermal forces via the fluctuation-dissipation theorem. The difference between these two spectra gives us an idea of the contribution of the forces of biological origin to the movement of the bead and a measure of the deviation of the system from thermodynamic equilibrium. To further investigate this system, i.e. a bead undergoing forces from the cortical actin, we studied the effect of varying the ligand coating density on the bead. The question that has driven us throughout this work is the origin of these biological forces or, more precisely the nature of the component of the cytoskeleton that exerts these athermal forces. Initially, we studied the influence of temperature on these biological forces. We then studied the effect of depletion of ATP in the cell, of the depolymerization of actin and of the inhibition of molecular motors of the myosin family.
La cellule est capable, en consommant l'énergie issue de l'hydrolyse de l'ATP, d'exercer des forces qui prennent leurs origines dans des réactions biochimiques. Un élément important de la cellule est le cytosquelette, composé principalement de microtubules et de filaments d'actine, il en constitue l'architecture et lui donne l'essentiel de ses propriétés mécaniques. Il est composé de polymères réticulés et, du point de vue de la rhéologie, a un comportement viscoélastique. Au sein du cytosquelette, des processus tels que la polymérisation de l'actine ou des microtubules permettent d'exercer des forces. Des protéines, de la famille des moteurs moléculaires, ont pour rôle spécifique de convertir l'énergie stockée sous forme chimique en énergie mécanique. L'activité mécanique hors-équilibre de la cellule est donc directement reliée à ces forces d'origine biochimique. Dans ce travail, nous avons étudié la distribution statistique des forces d'origine biochimique s'exerçant sur une bille de taille micrométrique attachée au cortex d'actine par l'intermédiaire de récepteurs de l'adhésion cellulaire : les intégrines. L'étude des forces d'origine biologique est inséparable de la connaissance des forces d'origine thermique car à cette échelle microscopique la contribution des forces thermiques n'est pas négligeable. Les forces s'exerçant sur la sonde ont deux origines possibles : biologique ou thermique. Notre approche expérimentale est basée sur la combinaison de deux techniques de microrhéologie, active et passive, ce qui nous permet de calculer la fonction d'autocorrélation temporelle des forces exercées sur une sonde accrochée à l'actine corticale et de la comparer à la fonction d'autocorrélation des forces thermiques estimée via le théorème de fluctuation-dissipation. La différence entre ces deux spectres nous donne une idée de la contribution des forces d'origine biologique au mouvement de la bille et une mesure de l'écart du système à l'équilibre thermodynamique. Afin d'étudier plus en détail ce système de bille subissant des forces de la part de l'actine corticale, nous avons étudié l'effet de la variation de la densité de ligand recouvrant la bille. La question qui nous a animés tout au long de ce travail est l'origine de ces forces biologiques ou plus exactement la nature du composant du cytosquelette qui exerce ces forces athermiques. Dans un premier temps, nous avons étudié l'influence de la température sur ces forces biologiques. Nous avons ensuite étudié l'effet de la déplétion de l'ATP dans la cellule, de la dépolymérisation de l'actine et de l'inhibition des moteurs moléculaires de la famille des myosines.
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Dates and versions

tel-00870466 , version 1 (07-10-2013)

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  • HAL Id : tel-00870466 , version 1

Cite

Pierre Bohec. Étude du comportement hors-équilibre du cortex cellulaire. Mécanique statistique [cond-mat.stat-mech]. Université Paris-Diderot - Paris VII, 2012. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00870466⟩
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