Catch- und Slip-Bindungen von Aktinvernetzermolekülen in lebenden Zellen - ein neuer Zugang zum Verständnis der mechanischen Eigenschaften des Zytoskeletts

• Antragstellerin: Professorin Dr. Elisabeth Fischer-Friedrich
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 415037620

Das Aktinzytoskelett tierischer Zellen beeinflusst seine mechanischen Eigenschaften durch aktiven mechanischen Stress, welcher vorranging erzeugt wird durch interne Myosin-Motoren. Das Verständnis dieser nichtlinearen Materialeigenschaften ist eine wichtige Voraussetzung für unser Verständnis von zellulärer Kraftantwort, Zellformdynamik und Gewebeorganisation. Vorhandene Studien erzeugen jedoch ein inkohärentes Bild; sowohl Versteifung als auch Erweichung des Aktinzytoskeletts wurden beobachtet beim Anstieg von mechanischem Stress.In vorliegenden Projektantrag schlage ich eine Studie vor, die den Einfluss des aktiven Stresses auf die mechanischen Eigenschaften der Zelle weitergehend untersucht. Ich werde dabei einen neuen Zugang wählen, der die Kraftabhängigkeit der Bindungen von Aktin-Vernetzermolekülen im Aktinzytoskelett in den Blick nimmt. Frühere Studien haben gezeigt, dass zwei qualitativ unterschiedliche Aktinvernetzertypen existieren - Catch- und Slip-Vernetzer - deren Bindungen bei mechanischem Zug entweder verstärkt oder geschwächt werden. Daher ist zu erwarten, dass Catch- oder Slip-Vernetzer zu einer Versteifung oder Erweichung des Aktin-Zytoskeletts bei erhöhtem mechanischem Stress führen. Bisher wurden Messungen der Kraftabhängigkeit der Aktinvernetzerbindungen in vitro durchgeführt. Im vorliegenden Projekt möchte ich nun die Kraftabhängigkeit von Vernetzerbindungen im Aktinkortex lebender Zellen charakterisieren. Zu diesem Zweck werde ich eine von mir maßgeblich mitentwickelte neue Technik zur Messung des aktiven kortikalen Stresses und der kortikalen Steifigkeit einsetzen, bei der Zellen zwischen zwei parallelen Oberflächen zusammengedrückt werden unter Verwendung eines Rasterkraftmikroskops. Diese Technik soll mit dem Photo-Bleichen von fluoreszent markierten Vernetzermolekülen am Aktinkortex kombiniert werden, welches Rückschlüsse auf die kortikale Lebensdauer von Vernetzern zulässt. Mit Hilfe dieses experimentellen Ansatzes, werde ich die Lebensdauer von Vernetzerbindungen bei variierendem aktiven Stress im Aktinzytoskelett bestimmen und sie somit als Catch- oder Slip-Vernetzer charakterisieren.Ausblick: In einer zweiten Förderperiode plane ich eine weiterführende Studie, die untersucht, wie eine Kombination verschiedener Catch- und Slip- Vernetzer im Aktinzytoskelett die Materialeigenschaften der Zelle beeinflusst. Zu diesem Zweck werde ich ein mathematisches Modell entwickeln, das den erwarteten Einfluss von Catch- und Slip-Vernetzern auf die Materialeigenschaften des Aktinzytoskeletts charakterisiert. Dieses Modell wird Konzentrationsregime von Aktinvernetzern vorhersagen, bei denen aktiver Stress eine Versteifung oder Erweichung, Verfestigung oder Fluidisierung erzeugt. In einem experimentellen Teil werde ich durch gezieltes Knock-down von Aktinvernetzern in der Zelle zeigen, wie die Kraftabhängigkeit von Aktinvernetzermolekülen die nichtlinearen Eigenschaften des Aktinzytoskeletts beeinflusst.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen