Servicenavigation

Detailseite

Zurück

Projekt Druckansicht

Untersuchungen zur Zellmechanik bei Partikelanbindung und Phagozytose durch Photonische Kraftmikroskopie und Hochgeschwindigkeits- Bildgebung

Fachliche Zuordnung Biophysik
Förderung Förderung von 2011 bis 2020
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 189771364
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Bindung von Partikeln wie Bakterien, Viren oder Zellresten an lebende Zellen und die mögliche Aufnahme in das Zellinnere - die Phagozytose - sind zentrale Prozesse in der Zellbiologie und Immunologie. Die Beobachtung solcher Bindungs- und Aufnahmeprozesse, die meist schrittweise ablaufen, ist durch die räumliche und zeitliche Auflösung von Lichtmikroskopen begrenzt. Trotz moderner Fluoreszenztechniken können fluktuationsbasierte Prozesse, wie die (Re-)Organisation von molekularen Bindungen, kaum beobachtet und analysiert werden. Bis vor kurzem war die Messung von Bindungsstärken überhaupt nicht möglich und Prozesse wie Anbindung, Partikeltransport oder aktives Einschleusen in den Zellkörper sind nicht ausreichend verstanden, insbesondere nicht hinsichtlich der Zellmechanik. Je kleiner die Partikel oder die zelluläre Struktur sind, desto schneller sind ihre Bewegungen. Viele Vorgänge spielen sich auf Skalen von Nanometern und Millisekunden ab, die mit den meisten optischen Methoden - insbesondere bei lebenden Zellen - nicht erfasst werden können. Mit hochentwickelten Messtechniken wie der Photonischen Kraft Mikroskopie (PFM) mit dynamischen optischen Pinzetten und der interferometrischen MHz-3D-Teilchenverfolgung, wie der superauflösenden markierungsfreien 100-Hz-Mikroskopie (mittels Rotating Coherent Scattering) oder der schnellen 3D-Fluoreszenzmikroskopie (TIRF, SIM, Light-Sheet, konfokale Spinning Disc), konnten faszinierende neuartige Wechselwirkungskonzepte zwischen Partikeln und der Peripherie von Zellen entschlüsselt warden. Durch die spektrale Zerlegung der mit PFM aufgezeichneten thermischen Partikelfluktuation konnten wir kleinste oder sogar verborgene Wechselwirkungen von Partikeln in der Nähe der Zellmembran analysieren und aufdecken, wodurch die unterschiedlichen Wechselwirkungsstärken verschiedener zellulärer Komponenten ermittelt werden konnten. Durch die Untersuchung der Rolle von Membranfluktuationen während der Partikelbindung und -aufnahme mit PFM fanden wir heraus, dass die Aufnahmeenergie in ein GUV vorhersagbar wird, da die Energie bei kleineren Fluktuationsamplituden und längerer Relaxationszeit zunimmt. So resultiert z. B. die verringerte Energie der Partikelaufnahme bei Protein-Ligand-Interaktionen LecA-Gb3 oder Biotin-Streptavidin auch aus ausgeprägten, reibungsarmen Membranfluktuationen. Mit Hilfe der 100-Hz-ROCS-Mikroskopie konnten wir erstmals beobachten, wie sich zahlreiche winzige, fluktuierende, Viren imitierende Partikel an der zerklüfteten Peripherie von Makrophagen anlagern, und analysierten ihr Biding-Verhalten. Die mittleren thermischen Fluktuationsamplituden nahmen innerhalb von 15 Minuten von 20 nm auf 10 nm ab, was zu einer Verfünffachung der Bindungssteifigkeit führte. Ein weiteres bemerkenswertes Ergebnis war, dass wir zeigen konnten, dass Filopodien („Finger“) von Makrophagen (Killerzellen) an Partikeln ziehen, die z. B. in optischen Fallen präsentiert werden. Nach wiederholtem Scheitern und Ziehen kann das Filopodium seine Zugkraft mit der Zeit erhöhen und schließlich das Partikel zur weiteren Aufnahme zurückziehen. Es ist uns gelungen, diesen Prozess zu entschlüsseln und zu erklären, einen Vorgang der wahrscheinlich häufig bei der Immunantwort während einer Infektion ist. Es ist uns gelungen, diesen Prozess zu entschlüsseln und zu erklären, der wahrscheinlich ein häufiger Vorgang bei der Immunantwort während einer Infektion ist. In dem Bericht werden mehrere andere biologisch interessante und relevante Erkenntnisse beschrieben. Möglich wurde dies durch weitere Fortschritte bei optischen Technologien wie der ROCS-Mikroskopie, dem Fourier-Plane-Interferometric-Tracking oder der konfokalen Mikroskopie mit elektrisch verstellbaren Linsen, die wir im Rahmen dieses Projekts entwickelt oder verbessert haben.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

Zusatzinformationen

© 2026 DFG Kontakt / Impressum / Datenschutz

Textvergrößerung und Kontrastanpassung