Dünnschicht-Mikrorheologie des lebenden aktomyosin Kortex im C. elegans Embryo

• Antragsteller: Professor Dr. Stephan Wolfgang Grill
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 242030670

Der Zellkortex ist eine dünne Schicht aus vernetzten Aktinfilamenten und Myosin-Motorproteinen, welche sich unterhalb der Zellmembran befindet. Dieses dynamische Netzwerk verleiht der Zelle nicht nur mechanische Stabilität, sondern treibt auch langreichweitige kortikale Strömungen an. Kortikale Strömungen sind von entscheidender Bedeutung für wesentliche zelluläre Prozesse wie Zellpolarisati-on und Zellteilung. Trotz des detaillierten Verständnisses einzelner kortikalen Komponenten ist ihr Zusammenspiel innerhalb des Kortex unklar, weil der Beitrag einzelner Moleküle zu kortikalen Eigen-schaften nicht allein aus der Beobachtung des Zellkortex auf der zellulären Skala abgeleitet werden kann. Eine Beschreibung auf einer Ebene zwischen der molekularen und der zelullären Skala ist er-forderlich, die auf den emergenten physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Zellkortex beruht.In diesem Projekt beabsichtigen wir, die mechanischen Eigenschaften des Zellkortex direkt zu unter-suchen mittels eines neuartigen Ansatzes, der aktiven Dünnschicht-Mikrorheologie (ATHUR). Wir haben vor kurzem ein Verfahren etabliert, um kalibrierte Kräfte auf mikrometer-große, magnetische Kügelchen im C. elegans Embryo im Einzellstadium auszuüben. Die magnetischen Kügelchen werden durch Mikroinjektion in die Gonade von erwachsenen zweigeschlechtlichen Würmer in die Embryonen eingeführt. Durch einen Magnetfeldgradienten werden äußere Kräfte auf die einverleibten Partikel ausgeübt. Um die mechanischen Eigenschaften des Zellkortex zu untersuchen, werden wir die mag-netischen Kügelchen zum Zellortex ziehen und zunächst ihre Bewegung als passive kortexgebundene Marker untersuchen; durch das Anlegen einer wohldefinierten Kraft in der kortikalen Ebene auf die Kügelchen werden wir dann die Reaktion des Zellkortex auf solche aktiven Sonden bestimmen.Während passive und aktive Mikrorheologie-Experimente verwendet wurden, um die Viskoelastizität von rekonstituierten Aktomyosin-Gelen in vitro zu beschreiben, werden die vorgeschlagenen Experi-mente uns zum ersten Mal zu den mechanischen Eigenschaften des dünnen, quasi-2D kortikalen Netzwerks einer lebenden Zelle Zugang verschaffen. Die mechanische Charakterisierung wird dann mit der genetischen Ausschaltug von aktin-bindenden Proteinen mittels RNAi kombiniert werden, um die mechanischen Parameter zu identifizieren, die diese Proteine im Zellkortex beeinflussen. Mit Hilfe einer hydrodynamischen Beschreibung des Zellkortex als ein dünner Film einer aktiven komplexen Flüssigkeit werden wir dann die Änderungen in den Materialeigenschaften des Zellkortex mit den Phänotypen in den kortikalen Strömungen in Zusammenhang bringen.Zusammendfassend zielt dieser Projektvorschlag darauf, die Kluft zwischen Molekülen und der Me-chanik des Zellkortex zu überbrücken, was von entscheidender Bedeutung für das Verständnis der kortikalen Strömungen in lebenden Systemen sein wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen