Experimentelle Charakterisierung und theoretische Modelierung von zirkular-dorsalen Falten

• Antragsteller: Professor Hans-Günther Döbereiner, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 237405144

Zirkuläre dorsale Falten sind dynamische Aktin-Strukturen auf der dorsalen Zellseite. Sie spielen eine zentrale Rolle bei der Aufnahme von Wachstumsfaktoren durch Endozytose und der Reorganisation des Zytoskeletts. Wir sind interesssiert an der experimentellen Charakterisierung und theoretischen Modellierung der raumzeitlichen Dynamik von Aktin in Bezug auf freies, verzweigtes und polymerisiertes Aktin, sowie der Ultrastruktur der Falten. Wir konzentrieren uns auf die Modellierung von Prozessen, die die Polymerisierung von Aktin unterbinden. Um das System zu untersuchen stören wir mit Hilfe biochemischer und optogenetischer Methoden i) die Signalübertragung, ii) direkte Aktinregulatoren und iii) Aktin selbst. Wir beeinflussen die Statik und Dynamik phänotypischer Zustände als Funktion von Wachstumsfaktoren und biochemischen Inhibitoren, wie auch durch den Expressionsgrad ausgewählter Proteine. Zirkuläre dorsale Falten prägen sich als laterale Wellen aus, die im geschlossenen ringförmigen Bereich zwischen Zellkern und Zellperipherie propagieren. Durch mit Mikrokontaktdruck hergestellte Adhäsionsscheiben werden sie auf kreisähnlichen Trajektorien gelenkt. Diese Bewegung wird durch die mittlere Geschwindigkeit, die Lebensdauer und die Wiederholungsfrequenz beschrieben. Unser Ziel ist es das existierende Model, das zirkuläre Falten als bistabile Zustände beschreibt, zu verifizieren und die Rolle von Fluktuationen zu untersuchen. Wir werden zwei konzeptionell unterschiedliche Effekte analysieren. Zum einen beobachten wir in der Proteinaktivität und Dichte raum-zeitliche Schwankungen bei konstanten Molekülanzahl, zum anderen wird die Anzahl molekularer Kopien durch Modifikation der Genexpression verändert. Der erste Effekt ist auf einer kurzen Zeitskala von wenigen Minuten relevant. Der zweite Effekt gewinnt erst auf einer längeren Zeitskala an Bedeutung. Wir vermuten, dass der Zustandsraum durch die stochastische Genexpression und deren Verschiebung beeinflusst wird. Dies bedeutet, dass die totale Konzentration von (regulierenden) Proteinen nicht konstant ist. Dies hat zur Folge, dass sich der Zustandsraum, nicht nur die Trajektorien in demselben, mit der Zeit verändert. Wir nutzen optische Mikroskopie (Fluoreszenz,PH,DIC,RICM), Mikrofluidik und Mikrokontaktdruck, sowie Optogenetik. Die Erzeugung definierte Zellmorphologien auf adhäsiven kreisförmigen Flächen ist essentiell für die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Die Optogenetik ermöglicht uns Proteinexpression in vitro zu manipulieren und die Veränderungen des Phänotyp mit dem Genotyp in vivo zu beobachten. Als theoretische Methoden verwenden wir Bildkorrelationsanalyse, das Anpassen numerischer Lösungen auf experimentelle Daten durch Parameterabgleich und eine KI-basierte Clusteranalyse. Besonders wichtig ist es dabei Typ und Lokalisierung von Bifurkationen im Lösungsraum im Bezug zum Experiment zu ermitteln. Eine detaillierte Analyse ermöglicht die Erstellung von Zustandsdiagrammen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen