Zerstörungsfreie Abbildung neuronaler Kräfte mit beispielloser Empfindlichkeit durch den Vernier-Effekt

• Antragsteller: Dr. Mitchell Harling, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 579701651

In diesem Projekt werde ich eine neuartige ultrasensitive zelluläre Kraftmikroskopietechnik, die den optischen Vernier-Effekt (VE) nutzt, entwickeln und zur Vertiefung unseres Verständnisses von der Mechanobiologie das Zetralnervensystems (ZNS) anwenden. Diese Arbeit baut auf meinem wissenschaftlichen Background in optischer Kohärenz, Interferenz und Biophotonik auf. Sie wird zudem von der hochmodernen optischen Ausrüstung und den Nanofabrikationsanlagen meines Gastlabors (dem Humboldt-Zentrum für Nano- und Biophotonik) sowie der Expertise meines Betreuers (Prof. Malte C. Gather) profitieren. Die ultrakleinen Kräfte, die von ZNS-Axonen während Wachstum und Entwicklung ausgeübt werden, konnten bisher nicht ausreichend charakterisiert werden, da die derzeit entwickelten Technologien nicht über die erforderliche Kraftauflösung verfügen. Dabei zeigt die aktuelle Forschung die Bedeutung der Neuromechanobiologie für Axonverlängerungen und synaptische Verbindungen, d. h. die Verdrahtung unseres Nervensystems, auf. Da mit der alternden deutschen Bevölkerung die Verbreitung neurodegenerativer Erkrankungen voraussichtlich zunehmen wird hat die Neuromechanobiologie das Potential, Lösungen für drängende Probleme zu finden. Zukünftige medizinische Eingriffe könnten durch neuromechanobiologische Forschung beeinflusst werden, die mit der derzeit verfügbaren Technologie nicht durchgeführt werden kann. Die in der Mechanobiologie weitverbreitete Technik „Traction Force Microscopy” (Traktionskraftmikroskopie) konnte bisher nicht zur Bestimmung der von ZNS-Axonen erzeugten Kräfte eingesetzt werden, da das Signal zumeist unterhalb des Messrauschens liegt. Mein Gastlabor hat mit „Elastic Resonator Interference Stress Microscopy“ (elastische Resonator-Interferenz-Spannungsmikroskopie, ERISM) eine nicht-invasive Technik mit geringer Lichtintensität, entwickelt, die auf optischer Interferenz beruht, um zelluläre Kräfte im 10-pN-Bereich bestimmten kann. Obwohl ERISM eine wirkungsvolle Innovation darstellt, zeigen vorläufige Experimente meines Gastlabors, dass die Technik in der aktuellen Ausführung nicht empfindlich genug ist, um ZNS-Neuronenkräfte zu erfassen. Aufbauend auf ERISM schlage ich hiermit eine neue Technologie namens VEERISM vor, die den VE nutzt, um die untere Auflösungsgrenze konventioneller zellulärer Kraftmikroskopietechniken um eine Größenordnung zu erweitern. Als optisches Analogon zur Nonius-Skala von Messschiebern wurde der VE bereits in der optischen Faserinterferometrie eingesetzt, um extrem kleine Änderungen von Gasdruck, Temperatur und Dehnung zu messen. Bisher wurde der VE jedoch noch nicht zur Messung ultrakleiner zellulärer Kräfte eingesetzt. Der vorgeschlagene Ansatz stellt daher einen innovativen und bedeutsamen Fortschritt in den Bereichen Kraftmikroskopie und Mechanobiologie dar, wo seine beispiellose Empfindlichkeit für die Untersuchung des ZNS und anderer schwer fassbarer Probleme von entscheidender Bedeutung sein wird.

• DFG-Verfahren: Stelle