Membranbiophysik Afrikanischer Trypanosomen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Afrikanische Trypanosomen sind parasitäre Einzeller und die Erreger die Schlafkrankheit. Sie haben vielfältige Strategien entwickelt um im Blutstrom ihres Wirtes zu überleben. So ist ihre Zelloberfläche mit einem dichten Mantel aus Membranproteinen (VSGs) bedeckt. Dieser Mantel kann in vielen hundert Varianten hergestellt und ausgetauscht werden, um eine stabile Infektion aufzubauen. Hierfür ist es notwendig, dass der Mantel gleichzeitig dicht und fluide ist. Um den Mantel funktionstüchtig aufrechtzuerhalten und auszutauschen, muss er durch die Flagellartasche (FT) endo- und exozytiert werden. Beide gegenläufige Vorgänge finden am gleichen Nadelöhr statt, denn die FT nimmt nur 5 % der Zelloberfläche ein. Dieses Szenario ist ein Paradebeispiel für ein Narrow Escape Problem. In diesem Projekt wurde die Dynamik des VSG Mantels auf Einzelmolekülniveau experimentell bestimmt. Es konnte die Annahme bestätigt werden, dass der Austausch der VSGs mittels freier Diffusion erfolgt, allerding mit einem überraschend schnellen mittleren Diffusionskoeffizienten von 1.00 ± 0.15 µm2/s. Durch erganzende stochastisch numerische Simulationen konnte gezeigt werden, dass der gesamte Oberflächenmantel in weniger als 10 Minuten ausgetauscht werden kann. Außerdem folgt aus einem Abgleich der VSG Dynamik mit der bekannten Endozytoserate, dass der größte Teil der VSGs auf die Zelloberfläche diffundieren kann und somit der unmittelbaren Reendozytose entgeht, ohne dass ein gerichteter, aktiver Prozess notwendig ist. Technische Fortschritte in diesem Projektteil bestehen in der Fortentwicklung einer zytokompatiblen Einbettungsmethode und eines Analyseansatzes, der es ermöglicht aus eine Vielzahl von kurzen Trajektorien hochaufgelöste Oberflächenkarten zu extrahieren, die zuverlässig Auskunft über den lokal vorherrschenden Bwegungsmodus geben. Im zweiten Teil dieses Projektes wurde das Narrow Escape Problem in einer Scheibe systematisch untersucht. Hierfür wurde ein Modellsystem entwickelt, das auf mikrostrukturierten Lipiddoppellagen (Membranen) basiert. Fluoreszensmarkierte Lipide, die in diesen Membranen diffundieren, wurden mittels Einzelmlekülmikroskopie verfolgt und ihre mittlere Erstpassagezeit als Funktion einer virtuellen Öffnung auf dem Rand der Domäne bestimmt. Um dies zu ermöglichen, musste das Bleichverhalten des Fluorophores korrigiert werden. Unser theoriegestützter und durch Simulationen validierter Ansatz besteht darin, die gemessene Zeit mit dem Anteil der Partikel, die den Ausgangspunkt erreichen, zu reskalieren. Auf diese Weise wurde sehr gute Übereinstimmung mit der Theorie des NEP erzielt. Die etablierte Korrektur der gemessenen mittleren Erstpassagezeit bietet breite Anwendungsmöglichkeiten im biologischen Kontext, da dort die Lebenszeit der eingesetzten Fluorophores häufig der limitierende Faktor ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Single-molecule fluorescence microscopy demonstrates fast dynamics of the variant surface glycoprotein coat on living trypanosomes. (2022, 8, 5). American Geophysical Union (AGU).
Schwebs, Marie; Paul, Torsten; Glogger, Marius; Forster, Leonard; Morriswood, Brooke; Teßmar, Jörg; Groll, Jürgen; Engstler, Markus; Kollmannsberger, Philip & Fenz, Susanne
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Experiments in micro-patterned model membranes support the narrow escape theory. (2023, 1, 3). American Geophysical Union (AGU).
Meiser, Elisabeth; Mohammadi, Reza; Vogel, Nicolas; Holcman, David & Fenz, Susanne F.
