Biophysikalische Eigenschaften aktiver Vakuolen, die von Toxoplasma gondii in migrierenden Immunzellen gebildet werden

• Antragsteller: Professor Dr. Jörg Renkawitz; Professor Dr. Benedikt Sabass
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Parasitologie und Biologie der Erreger tropischer Infektionskrankheiten ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 492014049

Der Parasit Toxoplasma gondii (T.gondii) verursacht beim Menschen Toxoplasmose und breitet sich rasch im Wirtskörper aus. Zur Umgehung der Immunreaktion und zur schnellen Überwindung großer Entfernungen kapert T.gondii wandernde Immunzellen und macht sich deren Fähigkeit zunutze, Gewebebarrieren zu überwinden. Darüber hinaus vermehrt sich T.gondii in intrazellulären Parasitophoren Vakuolen (PV) und verwandelt so Immunzellen in "Trojanische Pferde". Obwohl die Biologie von T.gondii ein etabliertes Studienfeld ist, ist die Biophysik solcher Trojanischer Pferde weitgehend unverstanden. In den beiden Jahren der 1. Förderperiode wurde sich auf die Frage konzentriert, wie zytoskelettale Zell-Parasit Interaktionen die Überwindung von Gewebebarrieren ermöglichen. Experimente zeigten, dass infizierte Immunzellen trotz sperriger Parasiten Fracht durch außerordentlich enge Poren wandern können, da sie die erzeugten Kräfte hochregulieren. Erstaunlich ist, dass die relative Position der beiden größten intrazellulären Objekte, also der PV und des Zellkerns, in Abhängigkeit von der Geometrie und Größe der Poren gesteuert wird. Experimente und Simulationen zeigen einen Mikrotubuli-unabhängigen Mechanismus, durch den das größere Objekt an der Vorderseite der Zelle platziert wird, was ein effektives Queren von Poren ermöglicht. Daneben wurde gezeigt, dass die Querung von Poren auf einer ungewöhnlichen Mechanik der PV beruht, die sehr steif, aber auch extrem verformbar und resilient ist. Anatomisch gesehen ist die PV eine mehrschichtige Struktur, in der ein Mikrotubuli Netzwerk des Wirts eine erste Membran umgibt, die die sich replizierenden Parasiten enthält. Intravakuoläre Parasiten sind ihrerseits durch Membranstrukturen verbunden, die ein F-Aktin Netzwerk enthalten in dem spezielle T. gondii Myosine möglicherweise aktiv Kraft ausüben. Dieses Netzwerk ist für die PV Struktur und Mechanik unerlässlich, jedoch sind Architektur und Biophysik weitgehend unbekannt. Vorläufige Daten deuten auch darauf hin, dass die Struktur der PV beeinflusst, welchen Weg Immunzellen im Wirt nehmen. Schließlich haben wir starke Hinweise darauf, dass mechanische Deformation der Immunzellen unter bestimmten Bedingungen einen Parasitenaustritt stimuliert. Daher wird für die 2. Förderperiode vorgeschlagen, die grundlegende Anatomie und Biophysik der PV zu untersuchen. Es wird die Hypothese getestet das ein aktives PV-Zytoskelett eine adaptive Fracht mit besonderen mechanischen Eigenschaften erzeugt. Auch wird gezeigt, wie die PV die Entscheidung der Zelle für unterschiedliche Wegen bestimmt und wann und wie äußere Kräfte eine Freisetzung der Parasiten durch das Trojanische Pferd bewirken. Dafür werden Mikroskopie (dSTORM), Mikrofluidik und 3D-Matrizen, Parasitenmutanten, mechanische Messungen (TFM, AFM), und Simulationen der PV-Architektur eingesetzt. Insgesamt wird die Arbeit dazu beitragen, von Parasiten ausgenützte biophysikalische Konstruktionsprinzipien und Strategien zu verstehen.

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