Biophysikalische Methoden für die Quantifizierung von Mechanik, Formen und Kräften

• Antragsteller: Professor Dr. Jochen Guck
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Biophysik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 492010287

Biophysikalische Eigenschaften gewinnen in vielen Bereichen der Biologie zunehmend an Bedeutung. Gerade Parasiten sind während ihres Lebenszyklus mit den schwierigsten physikalischen Herausforderungen konfrontiert und entwickeln eine breite Palette von Mechanismen, um sich an diese anzupassen: Veränderungen der Körperform, Oberflächeneigenschaften, mechanische Eigenschaften, Bewegungsarten und Metabolismus. Die Entwicklung von Methoden zur Quantifizierung dieser Eigenschaften ist deshalb notwendig, um die komplexen Mechanismen, die der Physik des Parasitismus zugrunde liegen, zu erforschen. Das Z-Projekt bietet ein Spektrum solcher biophysikalischen Methoden für die anderen experimentellen Projekte innerhalb des SPP. Während der ersten Periode wurde der „Biophysical Methods Workshop“ in Erlangen abgehalten, um die Kooperationspartner über die verfügbaren Methoden zu informieren und den theoretischen und praktischen Hintergrund zu vermitteln. Aus Basis dieser Veranstaltung wurden viele gemeinsame Projekte gestartet und erste Messrunden durchgeführt. Zu den verfügbaren Methoden und den jeweils erzielten Ergebnissen gehören: (1) AFM wurde zur Charakterisierung der mechanischen Oberflächeneigenschaften (Adhäsion und Steifigkeit) von Nematoden und Platyhelminthen eingesetzt. Die Oberflächenmerkmale dieser Parasiten sind entscheidend für ihre Fortbewegungs- und Anhaftungsmechanismen. (2) Mit Hilfe der Brillouin-Mikroskopie wurden die Unterschiede in der Mechanik der ventralen Scheibe von Giardia duodenalis untersucht, wobei sich bei Knock-out-Mutanten verschiedener Scheibenproteine im Vergleich zum Wildtyp unterschiedliche Werte der viskoelastischen Eigenschaften zeigten. Die gleiche Technik wurde für die Analyse der viskoelastischen Eigenschaften einer mit Toxoplasma gondii infizierten dendritischen Zelle und eines Fadenwurms, Heligmosomoides polygirus, verwendet. (3) Die optische Beugungstomographie ermöglichte es, die 3D Massendichteverteilung zu erhalten und Veränderungen des Volumens und der Masse verschiedener Giardia-Mutanten und -Genotypen zu quantifizieren. Diese Technik wurde auch für die Untersuchung von Trypanosom- und Toxoplasma-infizierten dendritischen Zellen eingesetzt. (4) Hydrogelkügelchen mit genau definierten mechanischen Eigenschaften (Elastizitätsmodul 0,5 – 15 kPa) und Größen (Durchmesser 8 – 25 µm) wurden in vielen Projekten für unterschiedlichste Zwecke verwendet. In der kommenden Förderperiode werden diese Projekte fortgesetzt und weiterentwickelt, sowie neue Kooperationsprojekte gestartet. Wir werden auch Line-Scanning Brillouin-Mikroskopie, Raman Mikroskopie und optische Kohärenz-Elastographie zur Adressierung spezifischer Fragestellungen einführen. Gemeinsam liefern wir die erste Quantifizierung der mechanischen Eigenschaften und Formen von Parasiten auf der Grundlage von inzwischen etablierten Protokollen und experimentellen Verfahren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2332: Physik des Parasitismus