Die Rolle aktiver Membranfluktuationen bei der Regulierung biologischer Funktionen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Ana-Suncana Smith
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545889871

Seit Jahrzehnten untersucht die biophysikalische Gemeinschaft die Fluktuationen der Zellmembran um eine sich ständig verändernde Form mit Amplituden von bis zu mehreren hundert Nanometern. Inzwischen ist klar, dass sie eine thermische und eine aktive Komponente umfassen, die mit dem Gesamtzustand der Zelle in einer räumlich abhängigen Weise variieren. Während sich der Zustand der Zelle und seine Regulierung je nach physiologischer Funktion der Zelle ändert, haben wir eine verblüffende Gemeinsamkeit zwischen verschiedenen Zelltypen gefunden - von roten Blutkörperchen bis hin zu Makrophagen weisen alle Zellen ein Fluktuationsspektrum mit identischen Eigenschaften auf. Im Gegensatz zu dem gut etablierten Zusammenhang zwischen Zellform und biologischer Funktion ist die physiologische Bedeutung von Membranfluktuationen jedoch noch umstritten. Eines der Probleme bei der Lösung dieser Debatte ist das Fehlen eines mimetischen Systems, in dem das Spektrum aktiver Zellfluktuationen rekonstruiert, manipuliert und im Zusammenhang mit einem bestimmten, für die Zellfunktion relevanten Prozess untersucht werden kann. Dieses Problem wollen wir in diesem Projekt angehen, wobei wir uns auf die Erfahrung des französischen Teams bei der Konstruktion von mimetischen Systemen für aktive Zellen und auf das Fachwissen des deutschen Teams bei der Modellierung dieser Systeme stützen. Konkret werden wir zellgroße Vesikel zusammenstellen, die einen Zellextrakt einkapseln, den wir mit Zytoskelett-Elementen ergänzen werden, um die Dynamik aktiver Kräfte auszulösen und zu steuern. Wir werden die daraus resultierenden aktiven Membranfluktuationen mit unserem einzigartigen Repertoire an optischen Mikroskopietechniken quantifizieren. Wir werden das mimetische System mit unabhängigen zellulären Messungen in ausgewählten Zelltypen vergleichen. Wir werden unsere Messungen mit Hilfe unseres aktiven Membranrahmens analysieren. Sobald das mimetische System etabliert ist, werden wir In-vitro-Experimente und die hier zu erarbeitende Theorie kombinieren, um aufzudecken, inwieweit aktive Membranfluktuationen die Organisation der Membranzusammensetzung unter Verwendung von phasentrennenden Lipid/Cholesterin-Gemischen regulieren. Dies wird einen tieferen Einblick in die Kopplung der durch das Zytoskelett induzierten schnellen Dynamik bei (mimetischen) Zellformfluktuationen und der Membranorganisation geben. Schließlich werden die Vesikel mit Zelladhäsionsproteinen dekoriert, um die Korrelationen zwischen aktiven Fluktuationen, Bindungs-/Lösungsraten für adhäsive Kontakte und der Membranordnung aufzuklären. Auf diese Weise werden wir in der Lage sein, die biophysikalischen Regulatoren der Membranstrukturierung in trans- und lateraler Richtung zu bestimmen. Durch die Bereitstellung eines theoretischen Rahmens für die beobachteten Phänomene, werden wir einen großen Schritt vorwärts machen, indem wir biomechanische Erregungen mit der Kontrolle des Zellzustands in Verbindung bringen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Dr. Etienne Loiseau