Microscopic mechanics of biomolecules in living cells
F. Cleri
Scientific Modeling and Simulations 15, 339-362 (2008) [Accès à la revue]
L'exportation des concepts théoriques et des modélisations de la physique et de la mécanique au monde des biomolécules et de la biologie de cellules augmente rapidement. Le rôle des actions mécaniques dans la biologie et la génétique commence juste à être apprécié, avec des implications allant de l'adhésion, migration, division des cellules, à la transcription et réplication de l'ADN, la transduction et le fonctionnement mécano-chimique des moteurs moléculaires, et plus encore. L’avancement des techniques expérimentales au cours des dernières années a permis des aperçus sans précédent dans l'élasticité et la réponse mécanique de beaucoup de différentes protéines, des filaments du cytosquelette, des acides nucléiques, in vitro et, plus récemment, directement à l'intérieur de la cellule. Dans un effort parallèle, aussi les modèles théoriques et les méthodes informatiques se transforment en une boîte à outils fort spécialisée. Cependant, plusieurs questions clés doivent être encore abordées, dans l'application aux sciences de la vie des théories et méthodes provenant typiquement des domaines de la physique de la matière et de la mécanique des solides. La présence d'un solvant avec ses propriétés diélectriques, les nombreux effets subtiles de l'entropie, la thermodynamique de non-équilibre, le rôle dominant des forces faibles, telles que la dispersion de Van der Waals, interactions hydrophobes, et liaisons hydrogène, imposent une attention spéciale et une considération complète, jusqu'à repenser, à l’envers, quelques concepts de base de physique.
Abstract: The exporting of theoretical concepts and modelling methods from physics and mechanics to the world of biomolecules and cell biology is increasing at a fast pace. The role of mechanical forces and stresses in biology and genetics is just starting to be appreciated, with implications going from cell adhesion, migration, division, to DNA transcription and replication, to the mechanochemical transduction and operation of molecular motors, and more. Substantial advances in experimental techniques over the past 10 years allowed to get unprecedented insight into the elasticity and mechanical response of many different proteins, cytoskeletal filaments, nucleic acids, both in vitro and, more recently, directly inside the cell. In a parallel effort, also theoretical models and computational methods are evolving into a rather specialized toolbox. However, several key issues need to be addressed when applying to life sciences the theories and methods typically originating from the fields of condensed matter and solid mechanics. The presence of a solvent and its dielectric properties, the many subtle effects of entropy, the non-equilibrium thermodynamics conditions, the dominating role of weak forces - such as Van der Waals dispersion, hydrophobic interactions, hydrogen bonding - impose a special caution and a thorough consideration, up to possibly rethinking some basic physics concepts. Discussing and trying to elucidate at least some of the above issues is the main aim of the present, partial and non-exhaustive, contribution.
Thème : Thème 2007-2010 : Mécanique cellulaire
Equipe : Modélisation moléculaire (IEMN)