Strukturelle Grundlagen und biologische Funktion von Chiralität in der Bewegung von Malaria-Parasiten

• Antragsteller: Professor Dr. Friedrich Frischknecht; Professor Dr. Ulrich Schwarz
• Fachliche Zuordnung: Parasitologie und Biologie der Erreger tropischer Infektionskrankheiten ; Biophysik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 492010213

Plasmodium-Sporozoiten sind die Formen des Malariaparasiten, die von der Stechmücke auf den Wirbeltierwirt übertragen werden. Sie sind stark polarisierte Zellen und bewegen sich auf Substraten in chiraler Weise, ähnlich wie die meisten extrazellulären Formen von Apicomplexa. Ziel dieses Projekts ist es, die chirale Bewegung von Sporozoiten in 2D und 3D zu quantifizieren, ihre strukturelle Grundlage zu identifizieren und ihre biologische Relevanz für erfolgreiche Invasionen zu ermitteln. Wir gehen diese Herausforderung an, indem wir quantitative Experimente mit Bildverarbeitung und mathematischen Modellen kombinieren. In der ersten Förderperiode haben wir festgestellt, dass sich alle Sporozoiten in isotropen Hydrogelen in rechtsdrehenden, spiralförmigen Bahnen bewegen und im Uhrzeigersinn kreisen, wenn sie auf das Glassubstrat treffen, genau umgekehrt wie beim Kreisen auf einem Glassubstrat im Medium. Dies deutet darauf hin, dass sich die Sporozoiten auf Glas auf dem Rücken und nicht, wie früher angenommen, auf dem Bauch bewegen. Um diese Bewegung zu beschreiben, haben wir zwei mathematische Modelle für die Chiralität beim Gleiten entwickelt. Eines davon sagt genau die Bewegungen voraus, die wir experimentell gefunden haben. Dieses chirale Adhäsionsmodell legt nahe, dass bei der 2D-Bewegung mehr Adhäsine an der dem Substrat zugewandten Oberfläche und bei der 3D-Bewegung an der der Rückseite der spiralförmigen Trajektorien zugewandten Oberfläche platziert sind. In der zweiten Förderperiode werden wir diese und andere Vorhersagen mit experimentellen Methoden wie Zellkraftmikroskopie, Superresolution-, Elektronen- und Expansionsmikroskopien sowie Zwei-Photonen-Laserdruck von Hindernissen testen. Um ein tieferes Verständnis zu erlangen, werden wir unsere mathematischen Modelle auf der Grundlage der experimentellen Ergebnisse weiterentwickeln, einschließlich aktiver Teilchenmodelle für Kollisionen und mikromechanischer Modelle für die Zellmechanik. Generell wollen wir nachweisen, dass Sporozoiten gekrümmte Formen und chirale Bewegungsmuster entwickelt haben, die auf dem Oberflächenfluss von Adhäsinen beruhen, um eine stabile Bewegung in schwierigen extrazellulären Umgebungen zu erreichen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2332: Physik des Parasitismus