Membranbiophysik Afrikanischer Trypanosomen

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Engstler, seit 5/2021
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391332795

Die Schlafkrankheit stellt eine ernste Bedrohung für Menschen und Nutziere im Afrika südlich der Sahara dar. Sie wird durch einzellige Flagellaten die Trypanosomen übertragen. Diese Parasiten sind ausgezeichnete Modellorganismen der Membranbiophysik. Im Blutstrom des Wirtes ist ihre Plasmamembran von einem dichten, nahezu puren Mantel variabler Oberflächenglykoproteine (VSGs) bedeckt. Dieser Mantel ist für die Parasiten lebenswichtig, da er sie vor dem Immunsystem des Wirtes schützt. Gleichzeitig stellt er ein ideales System dar, um Macromolecular Crowding-Effekte zu untersuchen sowie vergleichende Messungen mit vereinfachten Modellmembranen durchzuführen. Endo- and Exozytose diffundierender VSG Proteine sind auf die Flagellartasche beschränkt. Dieses Szenario erinnert an das sogenannte Narrow Escape Problem (NEP) in zwei Dimensionen. Das NEP ist ein verbreitetes Problem in der Biologie und der Biophysik. Es beschreibt Brownsche Partikel, die in eine Domäne mit reflektierendem Rand eingeschlossen sind und nur an einer kleinen Öffnung absorbiert werden können. Wenn die aktuelle analytische Lösung des NEP angewendet wird, um die Zeit zu berechnen, die ein VSG benötigt um die Flagellartasche zu finden, zeigt sich eine klare Diskrepanz zu experimentellen Ergebnissen. Wir werden uns der Lösung dieses Problems aus zwei Richtungen annähern. 1. Wir werden die VSG Dynamik in den externen und internen Membranen von T. brucei auf Einzelmolekülniveau messen und nach nicht Brownschen Beiträgen suchen. Dabei interessieren wir uns insbesondere für den Effekt physikalischer Kräfte wie zB krümmungsinduzierter Sortierung im Vergleich zu aktiven zellabhängigen Beiträgen. Anhand des etablierten Modellorganismus T. brucei können wir aktive Beiträge, z.B. molekularer Motoren, in Knock-down Experimenten direkt testen. 2. Wir werden die Theorie des NE experimentell testen. Hierzu planen wir eine systematische Studie in mikrostrukturierten Modellmembranen, die es uns erlaubt geometrische Parameter zu variieren und die Validität des theoretischen Modells in einen großen Phasenraum zu testen. Darüberhinaus planen wir die in vivo Geometrie durch Knock-down relevanter Strukturproteine zu manipulieren. Es ist das Ziel dieses Projektes nicht nur ein besseres Verständnis der Trypanosomphysiologie zu erreichen, sondern auch des fundamentalen NEP im Allgemeinen. Schlußendlich, könnte die Kenntnis der physikalischen Parameter der VSG Dynamik die Grundlage für die Entwicklung alternativer trypanozider Wirkstoffe sein, die eine Veränderung eben dieser Parameter zum Ziel haben und somit nicht anfällig für die Ausbildung von Resistenzen sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemalige Antragstellerin: Dr. Susanne Fenz, bis 4/2021