Selbstorganisation und Mechanik von Membran-assoziierten Aktomyosin-Netzwerken

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Andreas Janshoff; Professorin Dr. Claudia Steinem
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 427751228

Der Kortex tierischer Zellen ist ein dünnes, hochdynamisch-vernetztes Aktinnetzwerk, welches direkt mit der Plasmamembran verbunden ist. Obwohl kortikales Aktin eine entscheidende Rolle bei der zellulären Mechanik und der Morphogenese spielt, ist nur wenig über seine Organisation und die kollektive Dynamik des an die Membran gekoppelten Kortex bekannt, und wie diese Dynamik die mechanischen Eigenschaften beeinflusst und somit Funktion generiert. Um ein grundlegendes Verständnis zu entwickeln, ist es erforderlich, Modellsysteme zu untersuchen, die es erlauben, die Zusammensetzung und Architektur der Netzwerke zu kontrollieren. Das übergeordnete Ziel dieses Projekts ist es, zu verstehen, wie die Netzwerkarchitektur, die dynamische Anknüpfung an die Plasmamembran und die Kontraktilität zu den viskoelastischen Eigenschaften des zellulären Kortex beitragen. Es wird die Konvergenz der mechanischen Eigenschaften von artifiziellen Kortices, erhalten in bottom-up Ansätzen, und natürlichen Kortices, präpariert in einem top-down Ansatz, angestrebt. Startpunkt des Projekts ist der kürzlich etablierte minimale Aktinkortex (MAC), der durch die dynamische Verknüpfung einer Lipidmembran, dotiert mit dem Rezeptorlipid PtdIns(4,5)P2, mit F-Aktin durch das Protein Ezrin erhalten wurde. Wir konnten die Organisation des F-Aktinnetzwerks als Funktion der Ezrin-Bindungsstellen an der Membran quantifizieren und in Bezug zu den viskoelastischen Eigenschaften des F-Aktin/Membran-Komposits setzen. Basierend auf diesen etablierten MACs sind wir nun in der Lage, den Einfluss der dynamischen Natur des Ezrin-Quervernetzers auf die F-Aktin Architektur und seine viskoelastischen Eigenschaften zu untersuchen, indem wir Ezrin-Mutanten mit einer veränderten F-Aktin Bindungsstelle einsetzen. Weiterhin werden wir die Frage adressieren, wie F-Aktin Quervernetzer die Organisation der Aktinnetzwerke auf der Membran und somit die Dynamik und rheologischen Eigenschaften des Systems beeinflussen. Wir werden aktiv den Aktinkortex mit Hilfe von nicht-muskulärem Myosin II und ATP aus dem Gleichgewicht treiben und das kollektive Verhalten der Netzwerke verfolgen sowie die assoziierten athermischen Fluktuationen in den Netzwerken quantifizieren. Im Vergleich zu den MACs planen wir die Bindungsstellen von natürlichen Zellmembranfragmenten mit gebundenem Kortex zu manipulieren, um die Bedeutung der verschiedenen Komponenten für die mesoskopische Organisation des dynamischen Netzwerks zu beleuchten. Mit Hilfe von aktiver und passiver Mikrorheologie werden wir den Effekt athermaler Fluktuationen auf die viskoelastischen Eigenschaften des Kortex erforschen. Nichtlineares Verhalten der Netzwerke werden wir mittels aktiver Mikrorheologie mit angelegtem externen Hochamplituden-Rauschen untersuchen. Das wird uns ermöglichen, die Diskrepanz zwischen den beobachteten rheologischen Eigenschaften artifizieller Netzwerke und der weichen Glasrheologie, wie sie bei lebenden Zellen gefunden wird, aufzuklären.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen