Physikalische Wechselwirkungen und Struktur in lebenden Zellen

Das folgende Projekt zielt darauf ab, das physikalische Verhalten von lebenden Zellen im Bezug auf die Zellstruktur mittels kombinierten mikroskopischen Techniken und physikalischen Gesetzen unfangreich zu untersuchen. Das bedeutet, die Zellen werden als komplexe Einheiten betrachtet, deren Verhalten das Ergebnis von gut aufeinander abgestimmten extra- und intrazellulären Signalen innerhalb einer dynamischen Membranstruktur und eines filamentartigen Netzwerkes ist. Scanning Probe Microscopy (SPM) und Optische Mikroskopie (OM) werden herangezogen, abstandsabhängige Wechselwirkungen und die Zellmechanik zu untersuchen, um die Role der wichtigsten Zellbestandteile (Zellglycokalyx und Zellmembran, Zytoskelett und weitere Zellorganelle) im diesen Kontext zu erforschen. Die Experimente können in drei Bereiche unterteilt werden: Erstens, die Untersuchung der Kräfte mit sowohl kurzer als auch langer Reichweite zwischen der Zelloberfläche und eines sich annähernden Sensors im Mikrometermaßstab (kolloidales Partikel) bzw. im Nanometermaßstab (scharfe Spitze); zweitens, die Auswirkungen und Antwort der Zelle auf eine dauerhafte Deformierung bzw. Stressausübung durch den obengenannten Sensor; drittens, die Untersuchung von Membrankanälen, die durch Kontakt des Sensors ausgebildet werden und sich durch Entfernung des Sensors verändern. Punkt 1 soll uns ermöglichen, physikalische Fingerprints der Struktur innerhalb der apikalen Zellmembran, wie beispielsweise die Dicke und Homogenität aber auch das Vorhandensein von an der Membran gebundenen molekularen Komplexen, zu identifizieren. Punkt 2 gibt Auskunft über viskoelastische Parameter, die über die einzelnen Teile der Zelle Informationen enthalten. Punkt 3 lässt Rückschlüsse ziehen auf die Fähigkeit der Zelle mittels Membrantubuli zu kommunizieren. Punkt 1 und 2 werden sowohl lokal mit kleinen Sensoren im Nanometermaßstab als auch global mit größeren Sensoren im Mikrometermaßstab untersucht. Das Verhalten lebender Zellen kann somit verglichen werden mit künstlichen Modellen von Riesenvesikel, die die Zellmembran und das Zytoskelett nachahmen. Dadurch wird es möglich den Beitrag der eizelnen Zellbestandteile und der strukturellen Komplexität auf die physikalische Zellantwort zu evaluieren.