Influence of the substrate rheology on cell crawling
Influence de la rhéologie du substrat sur le rampement cellulaire
Résumé
Biological cells have the ability to move on substrates by actively organizing their skeleton and produce traction forces to self-propel. Such crawling motion can largely be affected by the nature of the substrate. Part of this interaction is due to the chemical affinity between the proteins insuring the cell adhesion and the substrate coating proteins, which leads to a certain friction law between the cell and its substrate. However, the substrate mechanical deformation also plays an important role.In this PhD, we investigate three prototypical situations where the friction law takes its simplest linear form. First we consider the case of a cell moving on an elastic substrate and show that even if in the context of a linear friction, the global velocity of the cell depends on the substrate stiffness in a non-linear biphasic fashion. Second we consider a cell moving on a viscous substrate and characterize the renormalization of the effective linear friction by the substrate viscosity. Finally, we show that the limit of a vanishing friction coefficent leads to a generic cell motion that is independent of the substrate rheology and has a variational structure. The dynamics of the cell in this context can thus be viewed as minimizing a certain quasi-potential. With such tool, we characterize the metastability of cell substrate-independant cell crawling and show that cells can alternate their gait in the presence of a small biological noise.
Les cellules biologiques ont la capacité de se déplacer sur des substrats en organisant activement leur squelette et en génerant des forces de traction pour se propulser. Ce mouvement de rampementpeut être largement affecté par la nature du substrat. Une partie de cette interaction est due à l'affinité chimique entre les protéines assurant l'adhésion de la cellule et les protéines de revêtement du substrat, ce qui conduit à une certaine loi de friction entre la cellule et son substrat. Cependant, la déformation mécanique du substrat joue également un rôle important.Dans cette thèse, nous étudions trois situations prototypiques où la loi de friction prend sa forme linéaire la plus simple. Tout d'abord, nous considérons le cas d'une cellule se déplaçant sur un substrat élastique et nous montrons que même dans le contexte d'une friction linéaire, la vitesse globale de la cellule dépend de la rigidité du substrat de manière non linéaire et biphasique. Ensuite, nous considérons une cellule se déplaçant sur un substrat visqueux et caractérisons la renormalisation de la friction linéaire effective par la viscosité du substrat. Enfin, nous montrons que la limite d'un coefficient de friction nul conduit à un mouvement cellulaire générique qui est indépendant de la rhéologie du substrat et possède une structure variationnelle. La dynamique de la cellule dans ce contexte peut donc être vue comme la minimisation d'un certain quasi-potentiel. Avec un tel outil, nous caractérisons la métastabilité du rampement cellulaire indépendante du substrat et montrons que les cellules peuvent alterner leur marche en présence d'un petit bruit biologique.
Origine : Version validée par le jury (STAR)