Charakterisierung und Analyse der physikalischen Mechanismen zur Ausbildung von Membranausstülpungen in biologischen Zellen

• Antragsteller: Dr. Julian Weichsel
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 204391879

Gesunde Zellen bilden charakteristische Membranausstülpungen aus, die für verschiedene Aufgaben in der Zelle eine wichtige Rolle spielen. Gebildet werden solche Ausstülpungen durch die gerichtete Polymerisation eines Filamentnetzwerks aus dem Protein Aktin im Zusammenspiel mit anderen Helferproteinen gegen die Membran. Aufgrund ihrer charakteristischen Geometrie und der speziellen Architektur des zugrundeliegenden Aktinnetzwerks lassen sich verschiedene Typen von Membranausstülpungen bestimmen und klassifizieren. Die notwendigen physiologischen Bedingungen für ihr Auftreten sind aber bisher noch nicht vollständig verstanden. Aktuelle experimentelle Studien lieferten hierzu gegensätzliche Ergebnisse, in denen jeweils unterschiedliche Helferproteine eine Schlüsselrolle einnahmen. Um zur Auflösung dieser Widersprüche beizutragen, werden wir uns in diesem Vorhaben auf die physikalischen Aspekte der Wechselwirkung des wachsenden Aktinnetzwerks mit der Zellmembran konzentrieren. In diesem eher unkonventionellen Ansatz werden wir im Rahmen einer biophysikalischen Simulation spezielle Mechanismen zur Bildung von Membranausstülpungen charakterisieren und die hierfür notwendigen Eigenschaften der beteiligten Strukturen festlegen. Im Anschluss daran kann der erwartete Effekt einzelner Helferproteine auf die notwendigen physikalischen Netzwerk- und Membraneigenschaften abgeschätzt werden. Dadurch wird es möglich sein in Zusammenarbeit mit Experimentatoren die theoretischen Vorhersagen unseres Modells in in-vitro Experimenten direkt zu überprüfen. Die erfolgreiche Umsetzung dieses Forschungsvorhabens wird daher (i) ein Verständnis der physikalischen Mechanismen für die Entstehung von Membranausstülpungen liefern, (ii) ein experimentell überprüfbares theoretisches Modell hervorbringen und (iii) die Rolle bestimmter potentiell beteiligter Helferproteine mittels ihres erwarteten Einflusses auf die physikalischen Eigenschaften von Aktinnetzwerk und Zellmembran festlegen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Phillip Geissler