Semiflexible Polymere erfüllen als Hauptbausteine intrazellulärer Gerüste und extrazellulärer Matrizen eine zentrale Rolle in biologischen Systemen. In der vorgelegten Arbeit wird der Einfluss kollektiver Effekte auf die physikalischen Eigenschaften semiflexibler Polymerstrukturen untersucht. Mikrorheologische Messungen sowohl an verwickelten als auch an quervernetzten Aktinfilamentnetzweken enthüllen, dass Aktingele drastisch durch die Belichtung fluoreszierender Kügelchen mit der entsprechenden Anregungswellenlänge erweicht werden. Dies beeinflusst die Resultate bei der Untersuchung von Aktinnetzwerken mit Mikrorheologie und kann zu großen Unterschieden zwischen
mikro- und makrorheologischen Messungen führen. Messungen an mehrfaserigen Aktinbündlen mit Hilfe optischer Pinzetten enthüllen kontraktile Kräfte mit einem harmonischen Potential beim Auseinanderziehen und Kontrahieren der Bündel. Die beobachteten Dynamiken werden durch ein analytisches Modell als emergentes, kollektives Phänomen erklärt welches durch additive, paarweise Interaktionen der Filamente im Bündel verursacht wird. Auf der Netzwerkebene wird gezeigt, dass Kompositnetzwerke aus rekonstituierten
Aktin- und Vimentinproteinen als Superposition zweier nichtinteragierender Gerüste beschrieben werden können. Hierbei entstehende Effekte werden durch
die Verbindung von Einzelfilamentdynamiken mit makrorheologischen Netzwerkeigenschaften dargestellt und innerhalb eines inelasitschen Glassy Wormlike Chain Modells erfasst. Dies bereitet den Weg um die mechanischen Eigenschaften des Zytoskeletts auf der Basis der Eigenschaften der Einzelkomponenten vorherzusagen. Weitere Untersuchungen an Netzwerken bestehend aus Aktinfilamenten, Intermediärfilamenten und synthetischen DNS Nanoröhren zeigen, dass Mengeneigenschaften durch diverse Interfilamentinterkationen beeinflusst werden. Es wird vorgeschlagen, dass diese Interaktionen in einen einzelnen Parameter im Rahmen des Glassy Wormlike Chain Modells zusammengefasst werden können. Die Interpretation dieses Parameters als polymerspezifische 'Stickiness' ist sowohl für makrorheologische Beobachtungen als auch im Reptationsverhalten konsistent. Diese Erkenntnisse zeigen, dass Stickiness im Allgemeinen nicht in semiflexiblen Polymermodellen ignoriert werden sollte. / Semiflexible polymers play a central role in biological systems as major building blocks of intracellular scaffolds and extracellular matrices. The presented thesis investigates the influence of collective effects on the physical properties of semiflexible polymer structures. Microrheological measurements on both entangled and cross-linked actin filament networks reveal that illumination of fluorescent beads with their appropriate excitation wavelength leads to a drastic softening of actin gels. This impairs results when studying the microrheology of actin networks and can cause large discrepancies between micro and macro-rheological measurements. Optical tweezers measurements on multifilament actin bundles reveal contractile forces with a harmonic potential upon bundle extension
and contraction. The observed dynamics are explained as an emergent, collective
phenomenon stemming from the additive, pairwise interactions of filaments within a bundle through an analytical model. On the network level, it is shown that composite networks reconstituted from actin and vimentin can be described by a superposition of two non-interacting scaffolds. Arising effects are demonstrated in a scale-spanning frame connecting single filament dynamics to macro-rheological network properties and are captured within an inelastic glassy wormlike chain model. This paves the way to predict the mechanics of the cytoskeleton based on the properties of its single structural components. Further investigations on networks assembled from filamentous actin, intermediate filaments and synthetic DNA nanotubes show bulk properties are affected by various inter-filament interactions. It is proposed that these interactions can be merged into a single parameter in the frame of the glassy wormlike chain model. The interpretation
of this parameter as a polymer specific stickiness is consistent with observations
from macro-rheological measurements and reptation behavior. These findings demonstrate that stickiness should generally not be ignored in semiflexible polymer models.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:34390 |
| Date | 03 July 2019 |
| Creators | Golde, Tom |
| Contributors | Universität Leipzig |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/acceptedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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