Stochastic modeling of intracellular processes : bidirectional transport and microtubule dynamics

Abstract

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.

Diese Dissertation wendet Methoden aus dem Bereich der Statistischen Physik des Nichtgleichgewichts an, um intrazelluläre Prozesse zu beschreiben. Bidirektionaler Transport auf Mikrotubuli wird als quasi-eindimensionales stochastisches Gittergas mit zwei Teilchensorten modelliert, die sich unter Volumenausschluss in entgegengesetzte Richtung bewegen. In bisherigen Modellen für intrazellulären Transport kommt es zu Staubildung. Die Staus lösen sich jedoch auf, wenn die Dynamik des Gitters, also des Mikrotubulus, berücksichtigt wird. Ein vereinfachtes Modell für die Gitterdynamik wird verwendet, um einen Phasenübergang zu einem homogenen Zustand zu erzeugen, der effizienten Transport in beide Richtungen erlaubt. Im thermodynamischen Limit begrenzt eine Eigenschaft des stationären Zustands des Gitters die maximale Länge von Staus. Spurbildung kann durch zusätzliche Teilchen-Teilchen-Wechselwirkungen erreicht werden, erweist sich jedoch als sehr empfindlich hinsichtlich der Modellannahmen. Darüber hinaus ist der positive Effekt der Gitterdynamik auf den Transport immer vorhanden. Folglich scheint die Dynamik des Gitters für das Verständnis der Regulierung des intrazellulären Transports besonders wichtig zu sein. Im letzten Teil wird ein Modell für Mikrotubuli-Dynamik eingeführt. Die Wirkung eines Rescue-fördernden Proteins, das dynamisch an der Spitze eingebaut wird, führt zu interessanten Alterungsphänomenen, die experimentell beobachtbar sein sollten.