Biologische Mikroschwimmer: von der zellulären Signalverarbeitung zum 3D Schlagmuster und zum 3D Schwimmverhalten.

• Antragsteller: Professor Dr. Ulrich Benjamin Kaupp
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Biologie des Verhaltens und der Sinne ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 254477082

Biologische Mikroschwimmer werden durch das Schlagen dünner Filamente vorangetrieben - den sogenannten Zilien oder Flagellen. Die Frequenz und Wellenform des Schlages werden durch intrazellulare Botenstoffe kontrolliert, insbesondere der Ca2+-Konzentration. Mikroschwimmer navigieren häufig in einem chemischen oder physikalischen Gradienten; diesen Mechanismus nennt man beispielsweise Chemotaxis oder Phototaxis. Es ist - vielleicht mit Ausnahme von Bakterien - nicht bekannt, wie die Stimulusfunktion in eine Zellantwort umgewandelt wird, wie das zelluläre Signal das 2D bzw. 3D Schlagmuster des Flagellums ändert und schließlich, wie das Schlagmuster in eine Navigationsstrategie während des Schwimmens in einem Gradienten übersetzt wird. Wir wollen diese Fragen an Spermien des Seeigels Arbacia punctulata, vom Menschen und der Maus untersuchen. In diesem Antrag wollen wir (1) chemische Werkzeuge (caged Lockstoffe) einsetzen um schnell, im sub-millisekunden Bereich, wohl definierte chemische Gradienten zu erzeugen; (2) mit Hilfe der digitalen, zeitaufgelösten holographischen Mikroskopie das Schlagmuster und die Schwimmbahn von frei schwimmenden Spermien dreidimensional (3D) aufzeichnen; schließlich wollen wir (3) die Änderungen der Ca2+-Konzentration im Flagellum und die 3D Schwimmbahn bzw. den 3D Flagellenschlag gleichzeitig raum-zeitlich an Spermien messen, die frei in einem chemischen Gradienten navigieren. Dieses Arsenal an chemischen und mikroskopischen Techniken kann leicht auf andere Mikroschwimmer - sowohl biologische als auch technische - übertragen werden. Wir erhoffen uns grundlegende Einsichten in das Navigationsverhalten von Mikroschwimmern in einem Gradienten und in die zugrunde liegenden zellulären Mechanismen und physikalischen Prinzipien.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1726: Mikroschwimmer - Von Einzelpartikelbewegung zu kollektivem Verhalten
• Mitverantwortlich: Dr. Luis Javier Alvarez Sanchez