Anders als menschengemachte Maschinen verfügen Zellen über keinen festgeschriebenen Bauplan und die Positionen einzelner Elemente sind häufig nicht genau festgelegt, da die Moleküle diffusiven Zufallsbewegungen unterworfen sind. Darüber hinaus sind einzelne Bauteile auch nicht auf eine einzelne Funktion festgelegt, sondern können parallel in verschiedene Prozesse einbezogen sein. Basierend auf Selbstorganisation und Selbstassemblierung muß die Organisation von Anordnung und Funktion einer lebenden Zelle also bereits in ihren einzelnen Komponenten inhärent enthalten sein.
Die intrazelluläre Organisation wird zum großen Teil durch ein internes Biopolymergerüst reguliert, das Zytoskelett. Biopolymer-Netzwerke und –Fasern durchdringen die gesamte Zelle und sind verantworlich für mechanische Integrität und die funktionale Architektur. Unzählige essentielle biologische Prozesse hängen direkt von einem funktionierenden Zytoskelett ab.
Die vorliegende Arbeit zielt auf ein besser Verständnis und den Nachbau zweier verschiedener funktionaler Module lebender Zellen anhand stark reduzierter Modellsysteme. Als zentrales Element wurde Aktin gewählt, da dieses Biopolymer eine herausragende Rolle in nahezu allen eukaryotischen Zellen spielt.
Mit dem ersten Modellsystem wird der bewegliche Aktin-Polymerfilm an der Vorderkante migrierender Zellen betrachtet. Die wichtigsten Elemente dieser hochdynamischen Netzwerke sind bereits bekannt und wurden in dieser Arbeit benutzt um ein experimentelles Modellsystem zu etablieren. Vor allem aber lieferten detailierte Computersimulationen und ein mathematisches Modell neue Erkenntnisse über grundlegende Organisationsprinzipien dieser Aktinnetzwerke. Damit war es nicht nur möglich, experimentelle Daten erfolgreich zu reproduzieren, sondern das Entstehen von Substrukturen und deren Charakteristika auf proteinunabhängige, generelle Mechanismen zurückzuführen.
Das zweite studierte System betrachtet die Selbstassemblierung von Aktinnetzwerken durch entropische Kräfte. Aktinfilamente aggregieren hierbei durch Kondensation multivalenter Ionen oder durch Volumenausschluss hochkonzentrierter inerter Polymere. Ein neu entwickelter Experimentalaufbau bietet die Möglichkeit in gut definierten zellähnlichen Volumina, Konvektionseinflüsse zu umgehen und Aggregationseffekte gezielt einzuschalten. Hierbei wurden neuartige, regelmäßige Netzwerkstrukturen entdeckt, die bislang nur im Zusammenhang mit molekularen Motoren bekannt waren. Es konnte ferner gezeigt werden, dass die Physik der Flüssigkristalle entscheidend zu weiteren Variationen dieser Netzwerke beiträgt. Dabei wird ersichtlich, dass entstehende Netzwerke in ihrer Architektur direkt die zuvor herrschenden Anisotropien der Filamentlösung widerspiegeln.:1 Introduction 1
2 General background 7
2.1 General concepts 7
2.1.1 Coarse-graining as hierarchical reduction 8
2.1.2 Functional modules and redundancies 10
2.1.3 Emergence 11
2.1.4 Self-organization and self-assembly 13
2.1.5 Bottom-up and top-down 13
2.2 The cytoskeleton 15
2.2.1 From actin monomers to filaments 16
2.2.2 Accessory proteins and actin networks 21
2.3 Biopolymer pattern formation 25
2.3.1 Random networks and nematic phases 25
2.3.2 Linker and motor induced networks 28
3 Lamellipodial actin network formation 33
3.1 Background: crawling cell migration 33
3.1.1 Leading edge actin structures 35
3.1.2 Lamellipodial self-organization into oriented branches? 40
3.1.3 Lamellipodial modeling 41
3.1.4 Beyond the lamellipodium: adhesion and network contraction 42
3.2 Methods: lamellar treadmilling model 45
3.2.1 Assumptions 45
3.2.2 Choice of model parameters 51
3.2.3 Computer simulation (implementation) 52
3.2.4 Mathematical modeling 56
3.3 Modeling results 63
3.3.1 Reproduction of motile cell characteristics 64
3.3.2 Self-organization into lamellipodium and lamellum 65
3.3.3 Filament severing and annealing influence network properties 70
3.3.4 Unconfined network growth 74
3.4 Feasible model extensions 76
3.4.1 Alternative nucleation mechanisms 77
3.4.2 Convergence zone through myosin-driven network contraction 80
3.5 Experimental bottom-up approach 82
3.6 Discussion: Arp2/3 induced actin networks 87
4 Actin network patterns in confined systems 91
4.1 Background: counterion condensation and depletion forces 91
4.1.1 Actin, a polyelectrolyte: counterion condensation 92
4.1.2 Actin and molecular crowding: depletion forces 95
4.2 Methods: Experimental design and data analysis 97
4.2.1 Protein purification and handling 98
4.2.2 Droplet formation 98
4.2.3 Volume monitoring and pattern analysis 100
4.3 Actin pattern formation 105
4.3.1 Counterion-induced network formation 105
4.3.2 Depletion force induced network formation 111
4.4 First modeling attempts: bundling simulation 116
4.4.1 Model concept and assumptions 116
4.5 Discussion: Counterion and depletion-based network assembly 119
5 Discussion & Outlook 125
Appendix 129
A. Variation of filament orientation 129
B. Analytical solution of the mathematical model 131
C. Pre-alignment of filaments 132
D. Protocols 134
d1. Acetone Powder Prep 134
d2. Actin prep 135
d3. Actin labling with rhodamine dye 137
Bibliography 141
Acknowledgements 157
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:11393 |
| Date | 09 February 2012 |
| Creators | Huber, Florian |
| Contributors | Käs, Josef, Diez, Stefan, Universität Leipzig |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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