Untersuchungen zur Zellmechanik bei Partikelanbindung und Phagozytose durch Photonische Kraftmikroskopie und Hochgeschwindigkeits- Bildgebung

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Rohrbach
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 189771364

Das Anbinden von Partikeln wie Bakterien, Viren oder Abfallstoffen an lebende Zellen und deren mögliche Aufnahme in das Zellinnere, die Phagozytose, stellen zentrale Prozesse in der Zellbiologie und Immunologie dar. Die Beobachtung solcher oft schrittweisen Anbindungs- und Aufnahmeprozesse, sind bei lebenden Zellen durch die zeitliche und örtliche Auflösung von Lichtmikroskopen limitiert. Trotz moderner Fluoreszenzmethoden sind fluktuationsbasierte Prozesse, wie die (Re-)Organisationen von molekularen Bindungen, nur sehr beschränkt sichtbar und damit analysierbar. So sind zellmechanisch viele Teilprozesse der Anbindung, des Partikel-transports und der Einverleibung in das Zellinnere nicht ausreichend verstanden, da sie auf Skalen von Nanometern und Millisekunden stattfinden und somit optisch nur schwer messbar sind. Der vorliegende Antrag baut auf den Ergebnissen des Erstantrags auf und soll die dort entwickelten Mess- und Analysemethoden erweitern. Mittels der bei uns etablierten Photonischen Kraftmikroskopie, sollen Wechselwirkungsprozesse zwischen Partikel und lebender Zelle induziert und variabel in Ort und Zeit gesteuert werden. Die Anbindung, der Partikeltransport an der Oberfläche und die eigentliche Aufnahme bestehen aus vielen sich überlagernden, skalenübergreifenden Prozessen (10^-9 bis 10^-5 Meter und 10^-5 bis 10^2 Sekunden) und können besser verstanden werden, wenn sich die Vorgänge auf einer großen zeitlichen und räumlichen Bandbreite analysieren lassen. Hierzu sollen einerseits schnelle kohärente, d.h. markierungsfreie Methoden wie interferometrisches 3D Partikeltracking (1 MHz Abtastrate) oder eine neuartige Live-Cell Superauflösungsmikroskopie-Methode, basierend auf rotierendem Laserstreulicht (ROCS, 100 Hz Abtastrate) zum Einsatz kommen. Zum anderen soll fluoreszenzbasierte konfokale Spinning-Disc Mikroskopie um eine elektrooptisch durchstimmbare Linse zur schnellen 3-D Bildaufnahme erweitert werden.Im vorliegenden Antrag sollen 2 Doktoranden/innen, D1 und D2, folgende Projekte bearbeiten: D1 soll mit den erwähnten optischen Methoden die direkte Anbindung und Aufnahme eines Partikels an flache Zellmembranen von Maus-Makrophagen untersuchen und dabei erforschen, ab wann und wie eine Zelle ein herannahendes Partikel bemerkt und darauf reagiert (z.B. durch Aktinreorganisation). Weiterhin soll D1 die schrittweise Umschließung durch die Zellmembran hinsichtlich lokaler Änderungen in Bindesteifigkeit und Reibung analysieren, die man aus den Partikelfluktuationen erhält. D2 soll dagegen Anbindung und Aufnahme eines Partikels über Filopodien und Lamellopodien untersuchen. D2 soll hierbei analysieren, inwieweit das Zugverhalten eines Filopodiums sich selbst optimieren kann. Darüber hinaus sollen der oft beobachtete, diskontinuierliche Transport von Partikeln entlang von Filopodien und Lamellopodien und die zugrundliegenden mechanischen Kopplungsprozessen an das dynamische Zytoskelett untersucht und analysiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Spinning disc scan head
• Gerätegruppe: 5080 Optisches Mikroskopzubehör