Effets collectifs dans la contraction musculaire et adhésion cellulaire

Abstract

Deux systèmes biologiques distincts, les muscles squelettiques et les sites d'adhésion de cellules kératocytes en mouvement, sont considérés dans un même cadre en raison de la similitude profonde de leur structure et de leur fonctionnalité. La réponse passive de l'un et de l'autre peut être modélisée à l'aide d'un grand nombre d'unités multi-stables couplées par des interactions à longue portée, et exposées à un désordre spatial fixé et un bruit thermique/mécanique. Les interactions à longue portée dans de tels systèmes conduisent à une synchronisation malgré les fluctuations temporelles et spatiales. Bien que les deux systèmes biologiques considérés présentent des différences structurelles importantes, nous montrons que l'on peut identifier une structure de verre de spin sous-jacente commune. À la lumière de cette analogie, ces systèmes vivants semblent être proches de points critiques et, à cet égard, le désordre gelé, reflétant l’incommensurabilité stérique des unités parallèles, peut être fonctionnel. Un autre paramètre important fixant la réponse est la rigidité interne du système qui couple les unités entre elles.Two biological systems, a half-sarcomere of a skeletal muscle and an adhesive cluster of a crawling keratocyte, are considered in parallel because of the deep similarity in their structure and functionality. Their passive response can be modeled by a large number of multi-stable units coupled through long-range interactions, frustrated by quenched disorder and exposed to thermal noise. In such systems, long-range interactions lead to synchronization, defying temporal and spatial fluctuations. We use a mean-field description to obtain analytic results and elucidate the remarkable ensemble-dependence of the mechanical behavior of such systems in the thermodynamic limit. Despite important structural differences between muscle cross-bridges and adhesive binders, one can identify a common underlying spin glass structure, which we fully exploit in this work. Our study suggests that the muscle machinery is fine-tuned to operate near criticality, and we argue that in this respect the quenched disorder, reflecting here steric incommensuration, may be functional. We use the analogy between cell detachment and thermal fracture of disordered solids to study the statistics of fluctuations during cellular adhesion. We relate the obtained results to recent observations of intermittent behavior involved in cell debonding, also suggesting near-criticality. In addition to the study of the equilibrium properties of adhesive clusters, we also present the first results on their kinetic behavior in the presence of time-dependent loading