Emergent collective behaviour is observed in dynein-driven microtubules and modelled by taking into account only local interactions and the reptation-like motion of individual microtubules. Spontaneous collective motion is of interest in many scientific fields, from animal behaviour to cell dynamics. Motility assays provide a system in which the underlying physical principles can be studied, using protein filaments driven by molecular motors grafted to a substrate in the presence of ATP. Here, Sumino et al. report on experiments in which microtubules are propelled by surface-bound dyneins, and are seen to self-organize into large-scale vortices. This process can be explained by a surprisingly simple mathematical model, based on only the smooth motion of single microtubules and their local interaction (they align with high probability on collision). As well as potentially being relevant to biological systems, the study hints at the existence of a new universality class of collective-motion or active-matter phenomena. Spontaneous collective motion, as in some flocks of bird and schools of fish, is an example of an emergent phenomenon. Such phenomena are at present of great interest1,2,3,4,5 and physicists have put forward a number of theoretical results that so far lack experimental verification6,7,8. In animal behaviour studies, large-scale data collection is now technologically possible, but data are still scarce and arise from observations rather than controlled experiments. Multicellular biological systems, such as bacterial colonies or tissues9,10, allow more control, but may have many hidden variables and interactions, hindering proper tests of theoretical ideas. However, in systems on the subcellular scale such tests may be possible, particularly in in vitro experiments with only few purified components11,12,13. Motility assays, in which protein filaments are driven by molecular motors grafted to a substrate in the presence of ATP, can show collective motion for high densities of motors and attached filaments. This was demonstrated recently for the actomyosin system14,15, but a complete understanding of the mechanisms at work is still lacking. Here we report experiments in which microtubules are propelled by surface-bound dyneins. In this system it is possible to study the local interaction: we find that colliding microtubules align with each other with high probability. At high densities, this alignment results in self-organization of the microtubules, which are on average 15 µm long, into vortices with diameters of around 400 µm. Inside the vortices, the microtubules circulate both clockwise and anticlockwise. On longer timescales, the vortices form a lattice structure. The emergence of these structures, as verified by a mathematical model, is the result of the smooth, reptation-like motion of single microtubules in combination with local interactions (the nematic alignment due to collisions)—there is no need for long-range interactions. Apart from its potential relevance to cortical arrays in plant cells16,17 and other biological situations, our study provides evidence for the existence of previously unsuspected universality classes of collective motion phenomena.

Dynein ATPases are microtubule motors that are critical to diverse processes such as vesicle transport and the beating of sperm tails; however, their mechanism of force generation is unknown. Each dynein comprises a head, from which a stalk and a stem emerge. Here we use electron microscopy and image processing to reveal new structural details of dynein c, an isoform from Chlamydomonas reinhardtii flagella, at the start and end of its power stroke. Both stem and stalk are flexible, and the stem connects to the head by means of a linker approximately 10 nm long that we propose lies across the head. With both ADP and vanadate bound, the stem and stalk emerge from the head 10 nm apart. However, without nucleotide they emerge much closer together owing to a change in linker orientation, and the coiled-coil stalk becomes stiffer. The net result is a shortening of the molecule coupled to an approximately 15-nm displacement of the tip of the stalk. These changes indicate a mechanism for the dynein power stroke.

F(1)-ATPase is a rotary molecular motor that proceeds in 120 degrees steps, each driven by ATP hydrolysis. How the chemical reactions that occur in three catalytic sites are coupled to mechanical rotation is the central question. Here, we show by high-speed imaging of rotation in single molecules of F(1) that phosphate release drives the last 40 degrees of the 120 degrees step, and that the 40 degrees rotation accompanies reduction of the affinity for phosphate. We also show, by single-molecule imaging of a fluorescent ATP analog Cy3-ATP while F(1) is forced to rotate slowly, that release of Cy3-ADP occurs at approximately 240 degrees after it is bound as Cy3-ATP at 0 degrees . This and other results suggest that the affinity for ADP also decreases with rotation, and thus ADP release contributes part of energy for rotation. Together with previous results, the coupling scheme is now basically complete.

Intracellular transport is thought to be achieved by teams of motor proteins bound to a cargo. However, the coordination within a team remains poorly understood as a result of the experimental difficulty in controlling the number and composition of motors. Here, we developed an experimental system that links together defined numbers of motors with defined spacing on a DNA scaffold. By using this system, we linked multiple molecules of two different types of kinesin motors, processive kinesin-1 or nonprocessive Ncd (kinesin-14), in vitro. Both types of kinesins markedly increased their processivities with motor number. Remarkably, despite the poor processivity of individual Ncd motors, the coupling of two Ncd motors enables processive movement for more than 1 μm along microtubules (MTs). This improvement was further enhanced with decreasing spacing between motors. Force measurements revealed that the force generated by groups of Ncd is additive when two to four Ncd motors work together, which is much larger than that generated by single motors. By contrast, the force of multiple kinesin-1s depends only weakly on motor number. Numerical simulations and single-molecule unbinding measurements suggest that this additive nature of the force exerted by Ncd relies on fast MT binding kinetics and the large drag force of individual Ncd motors. These features would enable small groups of Ncd motors to crosslink MTs while rapidly modulating their force by forming clusters. Thus, our experimental system may provide a platform to study the collective behavior of motor proteins from the bottom up.

Myosin Vc (myoVc) is unique among vertebrate class V myosin isoforms in that it requires teams of motors to transport cargo. Single molecules of myoVc cannot take multiple steps on single actin filaments, in stark contrast to the well studied myosin Va (myoVa) isoform. Consistent with in vivo studies (1), only teams of myoVc motors can move continuously on actin bundles at physiologic ionic strength (2), raising the question of how motor motor interactions cause this preference. Here, using DNA nanostructures as synthetic cargos for linking defined numbers of myoVa or myoVc molecules, we compared the stepping behavior of myoVa versus myoVc teams, and myoVc stepping patterns on single actin filaments versus actin bundles. Run lengths of both myoVa and myoVc teams increased with motor number, but the run lengths of myoVc teams were longer on actin bundles than on filaments. By resolving the stepping behavior of individual myoVc motors with a Qdot bound to the motor domain, we found that coupling of two myoVc molecules significantly decreases futile back/side steps, which were frequently observed for single myoVc motors. Data showing how changes in the inter-motor distance of two coupled myoVc motors affected stepping dynamics suggested that mechanical tension coordinates the stepping behavior of two molecules for efficient directional motion. Our study thus provides a molecular basis to explain how teams of myoVc motors are suited to transport cargos such as zymogen granules on actin bundles.

Mechanical stress significantly affects the physiological functions of cells, including tissue homeostasis, cytoskeletal alterations, and intracellular transport. As a major cytoskeletal component, microtubules respond to mechanical stimulation by altering their alignment and polymerization dynamics. Previously, we reported that microtubules may modulate cargo transport by one of the microtubule-associated motor proteins, dynein, under compressive mechanical stress. Despite the critical role of tensile stress in many biological functions, how tensile stress on microtubules regulates cargo transport is yet to be unveiled. The present study demonstrates that the low-level tensile stress-induced microtubule deformation facilitates dynein-driven transport. We validate our experimental findings using all-atom molecular dynamics simulation. Our study may provide important implications for developing new therapies for diseases that involve impaired intracellular transport.

The motility of biological molecular motors has typically been analyzed by in vitro reconstitution systems using motors isolated and purified from organs or expressed in cultured cells. The behavior of biomolecular motors within cells has frequently been reported to be inconsistent with that observed in reconstituted systems in vitro. Although this discrepancy has been attributed to differences in ionic strength and intracellular crowding, understanding how such parameters affect the motility of motors remains challenging. In this report, we investigated the impact of intracellular crowding in vitro on the mechanical properties of kinesin under a high ionic strength that is comparable to the cytoplasm. Initially, we characterized viscosity in a cell by using a kinesin motor lacking the cargo-binding domain. We then used polyethylene glycol to create a viscous environment in vitro comparable to the intracellular environment. Our results showed that kinesin frequently dissociated from microtubules under high ionic strength conditions. However, under conditions of both high ionic strength and crowding with polymers, the processive movement of kinesin persisted and increased in frequency. This setting reproduces the significant variations in the mechanical properties of motors measured in the intracellular environment and suggests a mechanism whereby kinesin maintains motility under the high ionic strengths found in cells.