Inverses motorisiertes Mikroskop mit holographischen optischen Pinzetten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Mai 2015 wurden der Aufbau des aus verschiedenen Komponenten bestehenden Großgerätes abgeschlossen. Seit diesem Zeitpunkt ist das Gerät nutzbar und über einen Online-Kalender für Mitglieder der Arbeitsgruppe und Kooperationspartner buchbar. Das Gerät wurde und wird unter anderem verwendet, um die Internalisierung von Partikeln in Zellen und den daran anschließenden intrazellulären Transport der Partikel zu untersuchen. Zu diesem Zweck werden beispielsweise Antikörper-beschichtete Mikropartikel mithilfe der holographischen optischen Pinzetten räumlich und zeitlich kontrolliert in Kontakt mit der Plasmamembran von Makrophagen gebracht. Die optischen Pinzetten erlauben darüber hinaus eine simultane Messung mechanischer Zelleigenschaften. Im Rahmen einer Studie über phagosomalen Transport konnten wir erstmalig zeigen, dass große Phagosomen (Durchmesser 3 µm) sehr persistent von der Zellperipherie hin zum Nukleus transportiert werden, kleine Phagosomen (Durchmesser 1 µm) jedoch - entgegen der gängigen Lehrmeinung - einen stark bidirektionalen Transport aufweisen, welcher nicht in der perinukleären Region endet. Darüber hinaus konnten wir den Einfluss einiger molekularer Zellkomponenten auf diesen größenabhängigen Transport quantifizieren. Für die Untersuchung zellulärer Zugkräfte während der Phagozytose mithilfe von Traction Force Microscopy (TFM) haben wir das Gerät verwendet, um die mechanischen Eigenschaften weicher Gele zu charakterisieren. Hierbei konnten wir erstmalig experimentell demonstrieren, dass es mithilfe der Steel Ball Method möglich ist, den Elastizitätsmodul und die Poissonzahl eines dünnen Gels simultan in einem Experiment zu messen. Die Kenntnis der Poissonzahl eines TFM-Substrates ist essentiell für die Bestimmung zellulärer Zugkräfte mithilfe von Traction Force Microscopy. Darüber hinaus haben wir die Möglichkeit der computergesteuerten dynamischen Positionierung optisch gefangener Mikropartikel genutzt, um zelluläres Migrationsverhalten in Abhängigkeit von verschiedenen räumlich und zeitlich variablen Stimuli zu untersuchen. Hierbei konnten wir beispielsweise zeigen, dass man mithilfe von holographisch-optisch gefangenen Mikropartikeln nicht nur zelluläre Reaktionen auf lokale chemische Stimuli, sondern auch auf lokale thermische Stimuli messen kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Application of optical tweezers for biochemical and thermal cell stimulation in: Light Robotics - Structure-mediated Nanobiophotonics, (2017), 385-410, eds.: Jesper Glückstad, Darwin Palima, Elsevier
K. Berghoff, S. Keller, W. Gross, L. Gebhardt, H. Kress
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Measurement of the magnetic moment of single Magnetospirillum gryphiswaldense cells by magnetic tweezers. Scientific Reports, 7, (2017), 3558
C. Zahn, S. Keller, M. Toro-Nahuelpan, P. Dorscht, W. Gross, M. Laumann, S. Gekle, W. Zimmermann, D. Schüler, H. Kress
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Phagosomal transport depends strongly on phagosome size. Scientific Reports, 7, (2017), 17068
S. Keller, K. Berghoff, H. Kress
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Simultaneous measurement of the Young’s Modulus and the Poisson Ratio of thin elastic layers. Soft Matter, 13 (5), (2017), 1048-1055
W. Gross, H. Kress
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Nanomaterial interactions with biomembranes: Bridging the gap between soft matter models and biological context. Biointerphases, 13 (2), (2018), 028501
M. Werner, T. Auth, P. A. Beales, F. Höök, H. Kress, R. C. Van Lehn, M. Müller, E. P. Petrov, L. Sarkisov, J.-U. Sommer, V. A. Baulin
