Aktive mechanochemische Beschreibung des Zell-Zytoskeletts

Jede Zelle in unserem Körper muss Kräfte erzeugen, um ihre Aufgaben zu erfüllen, wie z.B. den Transport von Proteinen, die Zellteilung oder die Formveränderung von Organen während der Embryonalentwicklung. Dazu enthält jede Zelle molekulare Motoren, die in der Lage sind, chemische Energie in physikalische Bewegung umzuwandeln. Diese physikalische Bewegung wird dann innerhalb der Zelle durch Filamentnetzwerke (das Zytoskelett) übertragen, zwischen verschiedenen Zellen übertragen Zell-Zell- Adhäsionsmoleküle diese Bewegung. Dies wirft jedoch eine Reihe von theoretischen Fragen auf: Wie koordinieren sich einzelne Motoren, um kohärente Kräfte innerhalb einer Zelle zu erzeugen? Wie koordinieren verschiedene Zellen ihre Krafterzeugung, um eine robuste biologische Funktion zu ermöglichen? Die Werkzeuge der theoretischen Physik sind gut geeignet, diese Fragen zu beantworten. Sie bieten systematische Möglichkeiten, um diese Emergenz zu beschreiben, d.h. wie großräumige Muster aus vielen Wechselwirkungen molekularer Prozesse entstehen. Hier wollen wir insbesondere verstehen, wie die Krafterzeugung und die Mechanik des Zytoskeletts mit der engen genetischen und biochemischen Regulation, die Zellen auf alle ihre Bestandteile ausüben, integriert sind. In der Tat behandeln viele existierende Modelle diese beiden Aspekte ("Mechanik" und "Biochemie") getrennt voneinander. Wir glauben, dass die Entwicklung integrierter theoretischer Modelle der beiden Aspekte uns helfen wird, eine Reihe wichtiger biologischer Prozesse zu verstehen. Darüber hinaus gehen wir davon aus, dass mechanisch-chemische Theorien helfen können, nicht nur zu verstehen, wie Zellen die von ihnen ausgeübten Kräfte regulieren, sondern auch, wie sie die von anderen Zellen ausgeübten Kräfte fühlen und darauf reagieren können. Dies ist unerlässlich, um nicht nur zu verstehen, wie molekulare Motoren innerhalb der Zellen koordiniert werden, sondern auch, wie sich einzelne Zellen im größeren Maßstab koordinieren, um ein bestimmtes Organ aufzubauen und zu erhalten. In Zusammenarbeit mit entwicklungs- und zellbiologischen Laboren werden wir diese Theorien an konkreten biologischen Beispielen anwenden und verifizieren. Wir interessieren uns vor allem für Septine, eine noch wenig untersuchte Komponente des Zytoskeletts, die unseres Erachtens eine Schlüsselrolle bei der Integration mechanischer und chemischer Leistungen in Zellen spielt und zunehmend in Schlüsselerkrankungen verwickelt ist.

Jede Zelle in unserem Körper muss Kräfte erzeugen, um ihre Aufgaben zu erfüllen, z. B. Proteine zu transportieren, sich zu teilen, um neue Zellen zu produzieren, oder ihre Form zu verändern, um Organe während der Embryonalentwicklung zu formen. Zu diesem Zweck enthält jede Zelle molekulare Motoren, die in der Lage sind, chemische Energie in physikalische Bewegung umzuwandeln. Diese physikalische Bewegung wird dann innerhalb der Zelle durch Netzwerke von Filamenten (das Zytoskelett) und zwischen verschiedenen Zellen durch Zell-Zell-Adhäsionsmoleküle übertragen. Dies wirft jedoch eine Reihe offener theoretischer Fragen auf: Wie koordinieren sich die einzelnen Motoren, um kohärente Kräfte innerhalb einer ganzen Zelle zu erzeugen? Wie koordinieren verschiedene Zellen ihre Krafterzeugung, um eine robuste biologische Funktion zu ermöglichen (z. B. kollektive Zellbewegungen während der Wundheilung oder die Bildung von Organen während der Embryogenese)? Die Instrumente der theoretischen Physik eignen sich gut für die Beantwortung dieser Fragen, da sie systematische Wege zur Beschreibung dieser Emergenz bieten, d. h. wie großräumige Muster aus vielen Wechselwirkungen molekularer Prozesse entstehen. In diesem Projekt wollten wir verstehen, wie die Krafterzeugung und die Mechanik des Zytoskeletts mit der engen genetischen und biochemischen Regulierung, die Zellen auf alle ihre Komponenten ausüben, zusammenhängen. Viele bestehende Modelle behandeln diese beiden Aspekte ("Mechanik" und "Biochemie") getrennt voneinander, und wir sind der Meinung, dass die Entwicklung integrierter theoretischer Modelle für diese beiden Aspekte uns helfen kann, eine Reihe wichtiger biologischer Prozesse zu verstehen. Wir haben daher mechano-chemische Theorien entwickelt, die von physikalischen Prinzipien inspiriert sind, um zu verstehen, i) wie räumlich-zeitliche Wellen von Signalen und Mechanik in zellulären Schichten gebildet werden können und wie sie von Zellen genutzt werden können, um sich selbst zu einem offenen Raum, z. B. einer Wunde, zu leiten, ii) wie Mechanik und Signale miteinander interagieren können, um selbstorganisierte Muster während der Embryogenese zu erzeugen. Obwohl unsere Arbeit theoretisch ist, haben wir in jedem Fall mit experimentellen Biologen zusammengearbeitet, um diese Theorien auf konkrete biologische Beispiele anzuwenden und zu überprüfen. So haben wir beispielsweise die Fragen i) und ii) an In-vitro-Zellmonolayern untersucht, ebenso wie Frage ii), um die ersten Stadien der Embryogenese des Zebrafisches zu verstehen, und um herauszufinden, wie Stammzellen die Darmmorphologie während der Entwicklung von Säugetieren physikalisch formen.