Experimentelle Charakterisierung und theoretische Modelierung von zirkular-dorsalen Falten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zirkulare dorsale Falten sind dynamische Aktinstrukturen an der Rückenseite von Zellen, die eine zentrale Rolle bei der Aufnahme von Wachstumsfaktoren und der Reorganisation des Zytoskeletts spielen. Unsere Forschung konzentriert sich auf die experimentelle Charakterisierung und theoretische Modellierung der raum und zeitlichen Dynamik von Aktin, einschließlich freier, verzweigter und polymerisierter Zustände sowie der Ultrastruktur dieser Falten. Wir zielen darauf ab, Prozesse zu untersuchen, die die Aktinpolymerisierung hemmen, mittels biochemischer und optogenetischer Methoden. Unser experimenteller Ansatz umfasst das Stören von: i) Signalübertragung, ii) direkten Aktinregulatoren und iii) Aktin selbst. Wir untersuchen die statischen und dynamischen phänotypischen Zustände in Abhängigkeit von Wachstumsfaktoren, biochemischen Inhibitoren und Expressionsniveaus ausgewählter Proteine. Zirkulare dorsale Falten manifestieren sich als aktinbasierte Wellen, die im Lamellipodium zwischen Zellkern und Peripherie propagieren, während die Morphologie der Zelle mittels Fibronektin Mikrokontakten kontrolliert wird. Die Bewegung wird durch Durchschnittsgeschwindigkeit, Lebensdauer und Wiederholungsfrequenz charakterisiert. Unser primäres Ziel ist es, ein bestehendes Modell, das zirkuläre Falten als bistabile Zustände beschreibt, zu verifizieren und die Rolle von Fluktuationen zu untersuchen. Wir werden zwei konzeptionell unterschiedliche Effekte analysieren: räumlich-zeitliche Variationen in Proteinaktivität und -dichte bei konstanter Molekülanzahl sowie Änderungen der Molekülkopienzahl durch Genexpressionsmodifikation. Der erste Effekt ist relevant auf einer kurzen Zeitskala von wenigen Minuten, während der zweite über einen langeren Zeitraum an Bedeutung gewinnt. Wir vermuten, dass der Zustandsraum durch stochastische Genexpression und deren Verschiebungen beeinflusst wird, was bedeutet, dass die Gesamtkonzentration regulatorischer Proteine nicht konstant ist. Folglich verändert sich der Zustandsraum selbst im Laufe der Zeit, nicht nur die Trajektorien darin. Wir setzen verschiedene Techniken ein, darunter optische Mikroskopie (Fluoreszenz, Phasenkontrast, Differentialinterferenzkontrast, Reflexionsinterferenzkontrast), Mikrofluidik, Mikrokontaktdruck und Optogenetik. Die Erstellung definierter Zellmorphologien auf adhasiven, kreisformigen Oberflächen ist entscheidend für die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Optogenetische Methoden ermöglichen uns die Manipulation der Proteinexpression in vitro und die Beobachtung phanotypischer Veränderungen in vivo. Unsere theoretischen Methoden umfassen Bildkorrelationsanalyse, das Anpassen numerischer Lösungen an experimentelle Daten durch Parameterabgleich und KI-basierte Clusteranalyse. Ein kritischer Aspekt ist die Bestimmung von Typ und Lokalisierung von Bifurkationen im Lösungsraum in Bezug auf experimentelle Beobachtungen. Eine detaillierte Analyse ermöglicht die Erstellung von Zustandsdiagrammen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Mechanobiological Control of Circular Dorsal Ruffle Dynamics.” PhD thesis. Universität Bremen, 2019
Julia Lange
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Biomechanical Aspects of Actin Bundle Dynamics. Frontiers in Cell and Developmental Biology, 8.
Lange, Julia; Bernitt, Erik & Döbereiner, Hans-Günther
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“Dynamics of morphological cell states.” PhD thesis. Universität Bremen
Malte Ohmstede
