Die Rolle von physikalischen Kräften zwischen Epithelien und ihrer Umgebung für die Morphogenese von Geweben

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Münster
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Entwicklungsbiologie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460111950

Morphogenese erfordert die koordinierte Erzeugung von Gewebekräften. Während die genregulatorischen Netzwerke, die diesen komplizierten Prozess steuern, in den letzten Jahrzehnten detailliert untersucht wurden, ist über die physikalischen Mechanismen, die morphogenetische Prozesse antreiben, viel weniger bekannt. Da Gewebe immer in Kontakt mit einer äußeren Umgebung stehen, wirken Kräfte nicht nur innerhalb des Gewebes (gewebeintrinsisch), sondern auch zwischen dem Gewebe und seiner Umgebung (gewebeextrinsisch). Obwohl morphogenetische Prozesse vom Gleichgewicht zwischen intrinsisch und extrinsischen Kräften abhängen, sind bisher nur gewebeintrinsische Kräfte gut untersucht, wohingegen gewebeextrinsische Kräfte und ihr Beitrag zu wichtigen morphogenetischen Vorgängen nicht gut verstanden sind. Um dies zu ändern, werden wir die Gastrulation des Reismehlkäfers (Tribolium castaneum) untersuchen – ein Prozess, bei dem sich ein ellipsoides Epithel-Gewebe zu einer komplexen dreidimensionalen Form faltet, während es von einer starren Eierschale (und Vitellinmembran) umschlossen ist. Wir haben vor Kurzem gezeigt, dass eine lokal begrenzte und zeitlich regulierte Wechselwirkung dieses Gewebes mit der Vitellinmembran zu erheblichen gewebeextrinsischen Kräften führt, die für normale Gastrulation notwendig sind. Auf dieser Grundlage werden wir im nächsten Schritt das Zusammenspiel dieser gewebeextrinsischen Kräfte mit den gewebeintrinsisch Kräften untersuchen und der Frage nachgehen, wie Gewebe ihre Umgebung zur Formerzeugung nutzen können. Wir werden hochauflösende Lichtmikroskopie, Bildanalyse, genetische und biophysikalische Manipulationen und mathematische Modellierung von Gewebekräften und -verformungen einsetzen, um die Grundlagen für ein besseres Verständnis der grundlegenden physikalischen Prinzipien der Gewebefaltung auf engem Raum zu schaffen. Außerdem werden wir untersuchen, ob das Käfer-Epithel eine aktive (migrierende) extrinsische Kraft ausübt, die die weitreichenden Gewebeflüsse während der Embryonalentwicklung unterstützen könnte. Wir werden dazu eine neue Technik entwickeln, um die Kräfte zwischen Epithelien und ihrer Umgebung direkt im lebenden Emryo zu messen. Drittens werden wir versuchen, die identifizierten mechanischen Komponenten der Gewebefaltung ex vivo mit künstlichen Epithel-Monolayern zu rekonstruieren. Dadurch lässt sich einerseits testen, ob unser Verständnis der physikalischen Prinzipien, das wir durch unsere Untersuchung des Käfer-Epithels gewonnen haben, vollständig ist. Andererseits wird es die Grundlage für die Entwicklung neuer Methoden zur kontrollierten Faltung von künstlichen Geweben in dreidimensionalen Strukturen bilden. Unsere interdisziplinäre Arbeit wird daher das grundlegende Verständnis der physikalischen Prinzipien der Morphogenese erweitern und außerdem die Prinzipien aufdecken, die notwendig sind, um komplexe Architekturen in multizellulären Ex-vivo-Systemen, wie z.B. Organoiden, zu kreieren.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: Konfokalmikroskop mit Inkubationskammer
• Gerätegruppe: 5090 Spezialmikroskope