Minimale bioinspirierte Systeme: Entflechtung der zellulären Komplexität und Entwicklung biomimetischer Materialien.

• Antragstellerin: Dr. Isabella Guido
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 511767212

Biologische Zellen führen bemerkenswerte Funktionen wie Migration, Teilung und intrazellulären Transport aus, indem sie die Krafterzeugung des Zytoskeletts kontrollieren. Das Zytoskelett ist ein Nichtgleichgewichts-Netzwerk, das aus Biopolymeren und den entsprechenden Motorproteinen und Cross-linkers besteht. Als selbstorganisiertes System wandelt es freie Energie in mechanische Arbeit um, und bestimmt das mechanische und dynamische Verhalten der Zellen. Es wurde immenser Aufwand betrieben, um bioinspirierte Systeme zusammenzustellen, um das Geheimnis der Selbstorganisation des Zytoskeletts zu entschlüsseln. Die Reproduktion des komplexen Verhaltens des Zytoskeletts in synthetischen Strukturen, die eine lebensähnliche Dynamik aufweisen, wie sie für solche intrazellulären Systeme typisch ist, bleibt jedoch eine große Herausforderung. In diesem Projekt schlage ich einen neuen Weg vor, um diese Herausforderung zu meistern, indem ich ein bioinspiriertes System entwickle, das aus Zytoskelettkomponenten, nämlich Mikrotubuli und Motorproteinen, besteht und bottom-up aufgebaut wird. Auf diese Weise wird die Komplexität der Zelle auf eine Minimalstruktur reduziert, die das Zytoskelett in seiner einfachsten Form nachahmt. Ziel dieses Projekts ist es, zu untersuchen, wie aktive Zytoskelett-Netzwerke ihre emergente Selbstorganisation rekonfigurieren und unter externen mechanischen Stimuli und geometrischen Randbedingungen verschiedene dynamische Regime durchlaufen. Zu diesem Zweck wird das aktive System in mikrofluidisch hergestellten Kompartimenten eingeschlossen, die die Zellumgebung nachahmen. Anschließend wird das System durch externe Kräfte stimuliert. Der Einfluss der mechanischen Stimulation auf die Selbstorganisation des aktiven Netzwerks soll charakterisiert werden. Auf diese Weise kann ich die Kopplung zwischen den aktiven Kräften der bioinspirierten Netzwerke und den auf sie einwirkenden externen Kräften untersuchen und feststellen, wie die Abstimmung der räumlich-zeitlichen Verteilung der Antriebskräfte die qualitative Natur der aktiven Dynamik verändern kann. Die Ergebnisse meiner Arbeit werden zum Verständnis der grundlegenden Prinzipien beitragen, die Zellprozessen zugrunde liegen, und gleichzeitig zu synthetischen bioinspirierten Systemen führen, die natürliche Strukturen nachahmen können. Das dynamische Verhalten der in diesem Projekt konstruierten synthetischen Konstrukte wird es ermöglichen, das Zusammenspiel zwischen intrazellulärem und extrazellulärem Raum zu erhellen und zur Entwicklung von steuerbaren molekularen Nicht-Gleichgewicht-Mikromaschinen zu führen, die das Engineering innovativer Biomaterialien fördern können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen