Einsicht in Zell-Signale unter Druck - Stabilität von Muskelstruktur und -funktion unter hohen hydrostatischen Drücken unter Verwendung der PiezoGRIN optischen Technologie

• Antragsteller: Professor Oliver Friedrich
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 556799444

Hohe hydrostatische Drücke (HHD) beeinflussen alle biologischen Prozesse, sind jedoch sehr viel schwieriger zu untersuchen als bspw. Temperatur-Effekte, da v.a. komplexe, druckdichte Messtechniken nötig sind, um HHD-Effekte auf lebende Organismen zu untersuchen. Dabei muss das Probenvolumen komplett gegenüber hohen Innendrücken in der Messkammer abgedichtet sein, aber dennoch Erhebung von Sensordaten aus dem Inneren erlauben. Optische Technologien sind als kontaktlosen Messtechnik hier prädestiniert. In einem vorherigen DFG-Projekt hatten wir eine neuartige optische Druckkammer entwickelt (PiezoGRIN), welche, anders als bei bisher beschriebenen Systemtechniken, refraktive Elemente in das Gehäuse integriert, um optische Fokussierung mit Dichtungseigenschaften von Stab-Linsen zu verbinden. Hiermit konnten wir bereits erfolgreich Multiphotonen-Mikroskopie auf HHD erweitern und dabei das optische Verhalten von Fluoreszenz-Ca2+-Farbstoffen und Farbstoff-freie Second Harmonic Generation (SHG) Morphometrie zur Zytoarchitektur von Muskelzellen untersuchen. Skelettmuskel ist das Hauptmotilitätsorgan für Mobilität durch Hochdruckzonen bei Tiefseeorganismen, daher sind fundamentale HHD-Auswirkungen auf zelluläre Ca2+-Signalwege und Kontraktilität von hohem Interesse für Marine Biotechnologie, speziesübergreifende Komparative Biologie und Hochdruck-Biowissenschaften. Im vorgeschlagenen Folge-Projekt möchten wir den PiezoGRIN-Multiphotonen Ansatz anwenden, um detaillierte Studien zu intakten Muskelfasern unter HHD bis 200 MPa bzgl. Effekte auf (i) Erregbarkeit, Ca2+-Transienten und Kontraktions-Kinetik, sowie (ii) auf die Stabilität der Akto-Myosin 3D-Sarkomer-Gitterstruktur zu erheben. Dies wird an Einzelfasern drei muriner Muskeltypen (soleus, edl, Diaphragma DIA), gefolgt von einer Faser-Typisierung nach induzierter Hochdruckexperimenten (langsame bis schnelle HHD-Rampen; HHD-Inkubation bei gegebenen Haltedrücken) erhoben, um durch eine Zuordnung von Druckdaten und Faser-Typ die Hypothese beantworten zu können, daß schnelle (fast-twitch, z.B. edl) Muskelfasern druckresistenter sind als langsame (slow-twitch, z.B. soleus, DIA). Der Ingenieurs-Anteil am Projekt widmet sich der Erweiterung der PiezoGRIN Druckkammer um eine interne elektrische Feldstimulationstechnik (unter Integration angepasster elektro-konduktiver Polymere), während der biologisch-biophysikalische Anteil sich Mechanismen der HHD-Beeinträchtigung zellulärer Ca2+-Kinetik und Kontraktilität widmet. Dies wird durch (a) die Berechnung molekularer Aktivierungsvolumina aus den Kinetik-Daten für diese Prozesse sowie durch (b) die Frage, ob Trimethylamin-Oxid (TMAO; hohe Konzentrationen in Tiefseefisch-Spezies) als akutes chemisches Druck-Protektivum für Säuger-Skelettmuskel dienen kann, im Gegensatz zu dort sonst vorherrschendem Harnstoff (von dem wir erwarten, Struktur/Funktions-Einbußen unter hohen Drücken maßgeblich zu verstärken) beantwortet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen