Multistabilität und Konkurrenz von Zellprotrusionen motiler Zellen auf mikrostrukturierten Bahnen: ein biophysikalischer Ansatz zur Zellbeweglichkeit

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Falcke; Professor Dr. Joachim Rädler
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 527474853

Viele Zellarten weisen eine Vielzahl von Bewegungszuständen auf, die sich in ihrer Protrusionsdynamik unterscheiden. Einschränkung der Zellmotilität auf eindimensionale Fibronektin-Bahnen grenzt das Kontinuum von möglichen Richtungen für Protrusionsbildung auf zwei diskrete, nach vorn und hinten, ein. Die Phänomologie der Zellbewegung auf eindimensionalen Bahnen ist jedoch überraschend reich und zeigt stationäre und oszillierende Bewegungszustände sowie Ruhezustände und Übergänge zwischen ihnen. Diese beobachtete Multistabilität führte zu einem wachsenden Interesse an Zellen als dynamischen Systemen. Das vorliegende Projekt untersucht Mechanismen der Multistabilität in Kombination von Experiment und Theorie. Automatisierte Zeitraffer-Mikroskopie und Bildanalyse werden verwendet, um große Datensätze von Trajektorien und Morphodynamik von MDA-MB-231-Zellen auf mikrostrukturierten Bahnen zu generieren. Basierend auf unseren früheren Arbeiten werden wir ein biophysikalisches Modell der Zellmotilität entwickeln, dass die Existenz mehrerer Zellzustände, ihre dynamischen Eigenschaften und Übergänge zwischen Zuständen erklärt. Wir vergleichen simulierte und gemessene morphodynamische Merkmale, d.h. Zellgeschwindigkeit, vordere und hintere Geschwindigkeiten sowie Periode und Amplituden von Zelloszillationen als Funktion der Adhäsionsstärke und definierter Störungen in der Adhäsionsstärke und durch Drogen. Ziel des Projekts ist es, mechanistische Ideen zu formulieren, die Einblicke in das Zellverhalten als dynamische Systeme geben. Insbesondere werden wir Zustandsübergänge als Reaktion auf Störungen in der Adhäsionsstärke untersuchen. Auf diesem Weg werden allgemeine Beziehungen in der Zellmotilität, insbesondere die Adhäsions-Geschwindigkeits-Beziehung und UCSP, mechanistisch geklärt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen