Multimodales MP Mikroskop mit AFM für zellmechanische Untersuchungen

• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie
• Förderung: Förderung in 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 469988234

Die mechanischen Wechselwirkungen von Zellen kontrolliert eine Vielzahl fundamentaler biologischer Prozesse. Zu diesen gehören solche mit direkter Verbindung zu mechanischen Eigenschaften, wie etwa Muskelkontraktion oder invasives Tumorwachstum, aber auch weniger offensichtliche, jedoch ebenso wichtige Prozesse, z.B. bei der Embryogenese und der Stammzelldifferenzierung.Das hier beantragte multimodale Mikroskop vereint verschiedene Verfahren, um eine detaillierte, schnelle, hochauflösende und schonende Charakterisierung biomechanischer Eigenschaften von Zellen, Gewebeproben und Organoiden zu ermöglichen. Im Einzelnen werden folgenden Verfahren kombiniert:- Konfokal- und Multiphotonenmikroskopie,- Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie (FLIM),- “traction force microscopy” (TFM), - Rasterkraftmikroskopie (AFM),- “Elastic resonator interference stress microscopy” (ERISM),- Photostrukturierung durch licht-induzierte Adsorption von Proteinen (LIMAP)Hierdurch wird die umfassende und parallele Untersuchung folgender Aspekte ermöglicht:1. die von Zellen, Gewebe und Organoiden aktiv ausgeübten mechanischen Kräfte, und zwar mittels (i) der von Prof. Gather entwickelten ERISM Technik, (ii) synthetischer und genetisch kodierter Kraftsensoren, (iii) konfokaler TFM (durch Multiphotonenmikroskopie auch in optisch dicken Proben), 2. der Steifigkeit biologischer Proben mittels AFM,3. der mechanischen Reaktion von Zellen auf (i) definierte externe Kräfte (mittels AFM), (ii) räumliche Begrenzungen und Oberflächenfunktionalisierung (mittels LIMAP), und4.der 3D Struktur biologischer Proben (mittels Konfokal-/Multiphotonenmikroskopie) und Veränderungen der Proteinexpression aufgrund biochemischer und biomechanischer Stimuli.Dieser Ansatz erlaubt die hochauflösende und schnelle Untersuchung und Manipulation von Zellkräften und Matrixsteifigkeit. Hiermit können fundamentale Prozesse der Zellmechanik und Mechanotransduktion in neuartiger Weise untersucht werden. Solche Messungen sind für das neu gegründete Forschungszentrum für NanoBioPhotonik von zentraler Bedeutung und flankieren die Forschung in strukturierten Programmen der Universität zu Köln und externer Forschungseinrichtungen, insbesondere des Exzellenzclusters CECAD, des Sonderforschungsbereichs 829 („Molekulare Grundlagen der Regulation der Homöostase der Haut“) und der Klinischen Forschungsgruppe 329 („Molekulare Mechanismen von Podozyten-Erkrankungen – die Nephrologie auf dem Weg zur Präzisionsmedizin“). Außerdem ermöglicht das Gerät Kooperationen innerhalb des Departments für Chemie, z.B. zwischen dem Zentrum für NanoBioPhotonik und den Instituten für Organische Chemie und Biochemie im Bereich synthetischer und genetisch kodierter Kraftsensoren, sowie mit dem Institut für Physikalische Chemie bei der Entwicklung von Nanopartikeln zur mechanischen Exposition von Zellen. Das beantragte Gerät erzeugt so wesentliche Synergien innerhalb der Universität und bei der Arbeit mit externen Einrichtungen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Multimodales MP Mikroskop mit AFM für zellmechanische Untersuchungen
• Gerätegruppe: 5090 Spezialmikroskope
• Antragstellende Institution: Universität zu Köln
• Leiter: Professor Dr. Malte Gather