Energetische Untersuchungen zur induzierten Aufnahme von Partikeln in funktionalisierte, synthetische Membransysteme

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Rohrbach; Professor Dr. Winfried Römer
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 280366404

Lebende Zellen nehmen unter anderem durch Phagozytose Partikel in ihr Inneres auf, wenn hierfür mechano- chemischen Signale erfolgen und die notwendige Energie aufgebracht werden können. Insbesondere nehmen Fresszellen, als Teil unseres Immunsystems, Bakterien, aber auch unbeschichtete Partikel in sich auf, was nur durch ein Zusammenspiel von verschiedenen, biophysikalischen Kräften möglich ist. Um die relevanten Kräfte besser analysieren und die Rolle von bekannten Faktoren bei der Phagozytose besser abschätzen zu können, ist ein möglicher Ansatz, biomimetische Systeme zu untersuchen, die - relativ zu einer Zelle - in ihrer Komplexität deutlich reduziert sind. Die einfachste biomimetische Variante einer Zelle ist ein Riesenmembran-Vesikel (engl. Giant Unilamellar Vesicle, GUV), bei der man die chemischen und mechanischen Eigenschaften der kugelschalenartigen Lipid-Doppelschicht auf verschiedenste Art und Weise verändern kann. Damit ein Partikel von der Membran umschlossen und aufgenommen werden kann, muss sich die Membran des Riesen-Vesikels stark deformieren. In einer kürzlichen Studie konnte gezeigt werden, dass die freiwerdende Adhäsionsenergie bei der Partikelanbindung den Energieaufwand für die Membran¬deformation kompensieren kann und dabei Zytoskelett-Kräfte vernachlässigbar waren.Das Ziel dieses gemeinschaftlichen Vorhabens der Arbeitsgruppen Rohrbach und Römer ist es, die physikalischen Mechanismen der Partikelaufnahme besser zu verstehen - mit besonderem Hinblick auf die Rolle der Membran¬deformation. Hierzu sollen zunächst zwei komplementäre Mess-Methoden etabliert werden, die es erlauben, die Energetik bei der Aufnahme eines Partikels in eine künstliche Zelle (GUV) zu bestimmen. Durch den Einsatz eines Photonischen Kraftmikroskops im kleinen und mittleren Kraftbereich und eines Atomkraftmikroskops für den mittleren und größeren Kraftbereich, wird das Partikel kontrolliert an die Membran herangefahren und die Partikel-Auslenkung und damit die Veränderungen in Kraft und Energie hochpräzise gemessen. Um nun den Einfluss verschiedener biochemischer Komponenten auf die Partikelaufnahme-Wahrscheinlichkeit zu untersuchen, soll nun dem biomimetischen System in einem Bottom-up Ansatz stückweise Komplexität hinzugefügt werden und die Kraftprofile und Energieprofile während der Partikelaufnahme mit stets dem gleichen Schema gemessen werden. Die Komplexität des Systems wird einerseits erhöht durch den Einbau verschiedener Lipide und Rezeptoren in die GUV-Membran, andererseits soll die Veränderung von Größe, Form/Orientierung und die Oberflächen-Funktionalisierung der Partikel kontrolliert verändert werden. Mathematische Modellierungen sollen dabei helfen, das mechanistische Verständnis bei der Partikelaufnahme zu verbessern und experimentelle Daten besser interpretieren zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen