Materialeigenschaften von Geweben in der Embryogenese

Das Projekt Materialeigenschaften von Geweben in der Embryogenese zielt darauf ab das Zusammenspiel der molekularen und mechanischen Signale, die die Embryonalentwicklung steuern, zu verstehen. Die Frage wie aus einem einzelligen Embryo ein funktionaler Organismus wird, ist seit jeher von zentralem Interesse im Feld der Entwicklungsbiologie, aber auch darüber hinaus in Forschungsgebieten wie Evolution, Biophysik und Medizin. Schlüsselprozesse der Embryonalentwicklung, beispielsweise die Ausbreitung von Geweben und Zellmigration, haben ähnliche Eigenschaften wie Prozesse im Erkrankungszustand, zum Beispiel Wundheilung und Tumormetastasierung, was die Bedeutung des Studiums dieser Vorgänge in sich entwickelnden Organismen weiter unterstreicht. Die Gestaltbildung von Geweben wurde jahrzehntelang als Ergebnis von gewebsspezifischen molekularen Wechselwirkungen beschrieben. Jedoch ist die Gewebemorphogenese letztlich das Resultat mechanischer Kräfte, die aktiv generiert, weitergeleitet und aufgenommen werden müssen. Die Auswirkung einer Krafteinwirkung auf eine Gewebsdeformation hängt entscheidend von den Materialeigenschaften des Gewebes ab ein weiches Gewebe kann leichter verformt werden als ein steifes Gewebe. Erstaunlicherweise können Gewebe ihre Beschaffenheit sehr schnell verändern. Solch einen Prozess nennt man einen Phasenübergang. Wie Phasenübergänge in der Gewebemorphogenese reguliert werden und welche Funktion sie haben, ist bisher kaum verstanden. In diesem Projekt möchte ich die zentrale Rolle von Phasenübergängen in der Embryonalentwicklung untersuchen. Insbesondere möchte ich bestimmen welche Arten von Phasenübergängen in den verschiedenen Geweben während der frühen Entwicklung des Zebrafisches stattfinden, wie diese Übergänge auf der molekularen und zellulären Ebene reguliert werden und welche Bedeutung sie für die Embryonalentwicklung haben. Dazu werde ich eine interdisziplinäre Vorgehensweise wählen, die Ansätze aus der Biophysik, Zellbiologie, Entwicklungsbiologie, Genetik und mathematischen Modellierung kombiniert. Ich erwarte, dass die Ergebnisse dieses Projekts neue Einblicke in das Zusammenspiel molekularer und mechanischer Signale um die Gestaltbildung von Geweben in der Embryonalentwicklung zu steuern, gewähren wird.

Das Projekt "Die Rolle der Materialeigenschaften von Geweben in der Embryonalentwicklung" zielte darauf ab, das Zusammenspiel der molekularen und mechanischen Signale, die die Embryonalentwicklung steuern, zu verstehen. Die Gestaltbildung von Geweben wurde als Ergebnis von gewebsspezifischen, molekularen Wechselwirkungen und mechanischer Kräfte beschrieben. Die Auswirkung einer Krafteinwirkung auf eine Gewebsdeformation hängt entscheidend von den Materialeigenschaften des Gewebes ab - ein weiches Gewebe kann leichter verformt werden als ein steifes Gewebe. Erstaunlicherweise können Gewebe ihre Beschaffenheit sehr schnell verändern. Solch einen Prozess nennt man einen "Phasenübergang". Wie Phasenübergänge in der Gewebemorphogenese reguliert werden und welche Funktion sie haben, ist bisher kaum verstanden. In diesem Projekt wollte ich die zentrale Rolle von Phasenübergängen in der Embryonalentwicklung untersuchen. Insbesondere war es mir wichtig zu bestimmen, welche Arten von Phasenübergängen in den verschiedenen Geweben während der frühen Entwicklung des Zebrafisches stattfinden, wie diese Übergänge auf der molekularen und zellulären Ebene reguliert werden und welche Bedeutung sie für die Embryonalentwicklung haben. Dazu wählte ich eine interdisziplinäre Vorgehensweise, die Ansätze aus der Biophysik, Zellbiologie, Entwicklungsbiologie, Genetik und mathematischen Modellierung kombiniert. Wir führten biophysikalische Messungen der Gewebeviskosität durch und fanden heraus, dass das Blastoderm - das erste Gewebe, das sich im Zebrafisch bildet - abrupt seine Viskosität verliert, wenn es sich auszubreiten beginnt. Diese abrupte Erweichung oder Verflüssigung des embryonalen Gewebes ähnelte dem physikalischen Phänomen der Phasenübergänge. Inspiriert von theoretischen Rahmenwerken, die Phasenübergänge in nicht-lebender Materie erklären, wie z.B. das Schmelzen von Eis, untersuchten wir, welche zellulären Parameter durch kleine Veränderungen dramatische Veränderungen der Gewebeviskosität auslösen können. Wir stellten fest, dass wir, wenn wir embryonale Gewebe als Netzwerke von Zellen betrachten, die durch Zell-Zell-Kontakte verbunden sind und deren Konnektivität wir messen können, einen theoretischen Rahmen für Phasenübergänge im Embryo anwenden können, den sogenannten Rigiditäts-Perkolationsübergang. Mit Hilfe dieser Theorie fanden wir heraus, dass Gewebe, deren Konnektivität oberhalb eines kritischen Wertes liegt, starr sind - und somit nicht verformt werden können, während sie unterhalb dieses Wertes schlaff sind - und somit leicht ihre Form verändern können. Diese Theorie erwies sich außerdem als leistungsfähiger Prädiktor für die Steifigkeit verschiedener Gewebetypen. Darüber hinaus fanden wir heraus, dass der kritische Punkt der Konnektivität zu Beginn der Gewebemorphogenese des Zebrafisches erreicht wird und für die Embryonalentwicklung essentiell ist. Wir identifizierten weiter, dass diese Art von Gewebephasenübergängen in vivo durch eine räumliche und zeitliche Koordination von Zellteilung, Zelladhäsion und dem molekularen Weg der "Planar Cell Polarity" reguliert wird. Die Ergebnisse dieses Projekts haben unser Verständnis darüber, wie molekulare und mechanische Signale zusammenwirken, um die Gewebemorphogenese in der Embryonalentwicklung zu steuern, erheblich erweitert.