Amöbenmotilität und Aktin-Dynamik

Die Dynamik des Aktin-Zytoskeletts bildet die Grundlage für viele wesentliche zelluläre Prozesse, darunter Phagozytose, Zellteilung und Motilität. Diese Prozesse hängen entscheidend von der koordinierten Bildung funktioneller Zytoskelettstrukturen ab, die charakteristische Längen- und Zeitskalen aufweisen. Die zugrunde liegenden räumlich-zeitlichen Muster in dem Aktin-Kortex und die damit verbundenen Signalwege sind ein Schwerpunkt unserer Forschung. Wir untersuchen die Entstehung dieser selbstorganisierten Strukturen und entwickeln Techniken, um sie auf subzellulärer Ebene zu manipulieren, mit dem langfristigen Ziel, Aktin-getriebene Zellfunktionen zu kontrollieren und zu steuern. Unsere Experimente werden mit Zellen der sozialen Amöbe Dictyostelium discoideum durchgeführt, einem etablierten Modellorganismus für Aktin-Dynamik und Motilität in eukaryontischen Zellen.

Unter den Aktin-basierten Zellfunktionen ist die Amöbenmotilität eines der prominentesten Beispiele. Sie beruht auf der Bildung von Membranvorsprüngen, die durch koordinierte lokale Ereignisse der Aktinpolymerisation erzeugt werden. Extrazelluläre chemische Gradienten können diese Art der Fortbewegung in einem Prozess namens Chemotaxis lenken. Eine breite Palette biologischer Prozesse wie Wundheilung, embryonale Morphogenese und Krebsmetastasen hängen entscheidend von der Bewegung chemotaktischer Zellen ab. Wir haben die chemotaktische Reaktion von Dictyosteliumzellen mit Hilfe mikrofluidischer Werkzeuge als gut kontrollierte und vielseitige Experimentierplattform quantifiziert. Darüber hinaus haben wir datengetriebene Langevin-Modelle entwickelt, um zufällige und gerichtete Zellbewegungen auf der Basis stochastischer Differentialgleichungen zu beschreiben.

Unser Verständnis von Zellpolarität und Aktin-getriebener Motilität hängt vor allem von der Untersuchung von Zellen auf planaren, offenen Substraten ab. In ihrem natürlichen Lebensraum bewegen sich die beweglichen eukaryotischen Zellen wie Leukozyten, Krebszellen und Amöben jedoch typischerweise unter sehr unterschiedlichen Bedingungen. Sie befinden sich in den engen Zwischenräumen von Gewebe oder Erde und kommen mit anderen Mikrometer großen Teilchen in Kontakt, die sie mitschleppen können. Mit verschiedenen Mikromanipulationstechniken untersuchen wir die Transporteigenschaften von Amöbenzellen und wie deren Polaritätsbildung und Motilität unter diesen Bedingungen verändert wird.

Unser Interesse an der Zelladhäsion konzentriert sich auf Aspekte der Zellbeweglichkeit. Für eine effiziente Amöbenmotilität ist eine optimale Abstimmung der Zell-Substrat-Adhäsion unerlässlich. Zur Untersuchung der Adhäsionsdynamik von beweglichen Zellen setzen wir elektrische Zell-Substrat-Impedanz-Sensoren (ECIS) ein. Insbesondere konzentrieren wir uns auf ECIS-Aufnahmen von einzelnen beweglichen Dictyosteliumzellen auf Mikroelektroden und untersuchen das Potenzial der Kombination von ECIS und Mikrofluidik für Anwendungen in der Biotechnologie.