Spatial Organization of cytoskeletal protein networks

• Applicant: Professor Dr. Jan Kierfeld
• Subject Area: Biophysics
• Term: from 2011 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 212219642

• Final Report Year: 2016

Final Report Abstract

Im Rahmen des vorliegenden Projektes wurde die komplexe Dynamik von einzelnen MT und MT-Ensembles unter Einfluss von (i) elastischen Kräften oder Containern und (ii) MT-assoziierten Signalproteinen modelliert, simuliert und theoretisch analysiert. Weder einzelne MT noch MT-Ensembles sind optimiert zur Krafterzeugung in der Zelle. Ihre dynamische Instabilität führt aber auf der anderen Seite zu Krafterzeugung und Längenverteilungen, die eine sehr effektive Regulation durch Modulation von Katastrophen- und Rettungsraten sowie der Tubulin-Konzentration erlauben. Die kollektive Ensemble-Dynamik zeichnet sich weiter durch Synchronisationseffekte aus, die auch von den elastischen Eigenschaften des Containers abhängen. Weiterhin wurde ein neuartige positive Feedbackschleife, die die Signalproteine Rac1, Stathmin und MT involviert, modelliert und analysiert. Dieses regulatorische Modul kann bimodale MT-Langenverteilungen stabilisieren und liefert so eine Erklärung für das Phänomen der sogenannten “pioneering microtubules”, das experimentell beobachtet wird. Darüber hinaus wurde mit der Entwicklung eines chemomechanischen Modells begonnen, das insbesondere den Einfluss mechanischer Kräfte im MT-Gitter auf die Hydrolyse berücksichtigt.

Publications

• “Dynamics and length distribution of microtubules under force and confinement”, Phys. Rev. E 86, 041918 (2012)
  B. Zelinski, N. Müller, and J. Kierfeld
  (See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevE.86.041918)
• “Cooperative dynamics of microtubule ensembles: Polymerization forces and rescue-induced oscillations”, Phys. Rev. E 87, 012703 (2013)
  B. Zelinski and J. Kierfeld
  (See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevE.87.012703)
• “Polymerization kinetics of single microtubules and microtubule bundles under force and confinement”, Dissertation, TU Dortmund, (2013)
  B. Zelinski
  (See online at https://dx.doi.org/10.17877/DE290R-7469)
• “Effects of microtubule mechanics on hydrolysis and catastrophes.”, Phys. Biol. 11, 046001 (2014)
  N. Müller and J. Kierfeld
  (See online at https://doi.org/10.1088/1478-3975/11/4/046001)
• “Feedback Mechanism for Microtubule Length Regulation by Stathmin Gradients”, Biophys. J. 107, 2860–2871 (2014)
  M. Zeitz and J. Kierfeld
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.bpj.2014.10.056)