Proximate und ultimate Gründe der Faserorientierung in der Kutikula von Insekten

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Jan-Henning Dirks; Professor Dr. Gerd Jürgens, seit 5/2024; Professorin Yael Politi, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Physiologie der Tiere ; Systematik und Morphologie der Tiere
• Förderung: Förderung seit 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 281694208

In der Insektenkutikula gibt es tägliche Wachstumsbänder, die aus Schichten mit parallelen (tags abgelagerten) und helikoidal (nachts abgelagerten) Chitinfasern bestehen. In unserem aktuellen DFG-Projekt nutzten wir einen lokalen Lichtsensor in der Heuschreckenkutikula, um grundlegende Mechanismen der Chitinfaserorientierung zu identifizieren. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Zellen die Bildung von unidirektionaler Faserarchitektur kontrollieren. Die Bildung von Helikoidal-Mustern findet jedoch außerhalb der Zelloberfläche statt und beinhaltet die Co-Assemblierung von Chitin und Proteinen. Wir fanden auch, dass die Kutikula-Dicke nicht linear mit der Anzahl der Schichten skaliert, es besteht also eine progressive Verdichtung statt. Darüber hinaus identifizierten wir die Chitin-Deazetylase LmCDA2, das die Chitin Orientierung reguliert.In diesem Folgeprojekt, in dem wir moderne Methoden hoch-auflösender Histologie mit der klassischen Molekular-Genetik kombinieren, haben wir zwei Ziele: (1) ein tiefergehendes, mechanistisches Verständnis der Zellregulations- und Co-Assembly-Prozesse, einschließlich der Rolle von Mikrovilli und neu-entdeckten vesikulären Strukturen, sowie die physikalisch-chemischen Grundlagen der Co-Assembly und der genetischen Prozesse. (2) Verstehen der ultimativen Gründe für die wechselnde Chitinfaserorientierung, einschließlich einer umfassenden Materialcharakterisierung. Das erste AP wird die grundlegenden proximalen und ultimativen Prinzipien des dermalen Lichtsensors untersuchen. Wir werden Insekten unter kontrollierten Bedingungen züchten, um Wellenlänge und Intensität des kritischen Lichts zu bestimmen. Darüber hinaus werden wir eine umfassende mechanische Analyse durchführen, um mögliche biomechanische Vorteile der alternierenden Schichten zu untersuchen. Um die Verdichtung der Kutikula besser zu verstehen, werden wir eine SAXS/XRD-Analyse von zu verschiedenen Zeiten nach der Häutung gebildeter Kutikula durchführen. Wir werden das Wissen nutzen, um maßgeschneiderte Proben für die anderen APs zu erstellen.Im zweiten AP werden wir molekular-genetische Mechanismen der Chitinorientierung untersuchen. Wir werden quantitative Massenspektrometrie-Analysen für unidirektionale und helicoidale Kutikula durchführen, um Proteine zu identifizieren, die an der Kontrolle der Faserorientierung beteiligt sind. Ihre Funktion wird in vorwärts-genetischen Experimenten kombiniert mit histologischen und mechanischen Methoden der AP1 und 3 untersucht, um den molekularen Mechanismus des Prozesses aufzuklären. Das dritte AP wird sich auf die Rolle der Zell-Oberflächendynamik bei der Kontrolle der Chitinfaserorientierung konzentrieren. Wir werden mit hochauflösender Konfokal- und STED-Mikroskopie den Membran- und Vesikelumsatz analysieren. Um die Mechanismen besser zu verstehen, die zu den verschiedenen Microvilli-Organisationen zwischen Tag und Nacht führen, werden wir uns die Transitionsphase zwischen Tag und Nacht genauer ansehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Luca Bertinetti, Ph.D.
• Ehemaliger Antragsteller: Privatdozent Dr. Bernard Moussian, bis 5/2024