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Ein innovatives biomimetisches Modellsysteme des Zytoskeletts

Zellform und Steifigkeit werden durch das Cytoskelett gegeben, ein Polymernetz, das hauptsächlich aus Filamenten besteht, die ein zelluläres Gerüst bilden. Um die mechanischen Eigenschaften des Zytoskeletts in Bezug auf seine Zusammensetzung zu charakterisieren, will eine europäische Studie ein Hybridnetz zwischen Aktin und DNA erzeugen.
Ein innovatives biomimetisches Modellsysteme des Zytoskeletts
Die Fähigkeit der Zellen, ihre Struktur und mechanischen Eigenschaften aktiv anzupassen, wird durch Motorproteine des Zytoskeletts wie Myosin II gewährleistet. Dies wird üblicherweise durch Veränderungen der physikalischen Eigenschaften des umgebenden Gewebes ausgelöst. Die Zelle bemerkt diese Veränderungen mithilfe eines Proteinkomplexes, der als fokale Adhäsionen bekannt ist und in der Zellmembran liegt.

Mechanische Eigenschaften des Zytoskeletts bestimmen, wie mechanische Kräfte von der Zelle bemerkt werden, und durch und zur extrazellulären Matrix propagiert und übertragen werden. Der wissenschaftliche Hauptzweck des EU-finanzierten Projekts "Biomimetic model of the cell cytoskeleton: Polymer networks cross-linked with DNA strands" (BIOLINK) will die Physik hinter der mechanischen Anpassungsfähigkeit der Zytoskelettnetze verstehen. Der Schlüssel dazu ist es, das Zusammenspiel zwischen der Aktivität molekularer Motoren und den mechanischen Eigenschaften des Zytoskeletts zu untersuchen, die zum großen Teil durch Vernetzungsmittel diktiert werden.

Um dieses Ziel zu erreichen, ist der Plan, ein einzigartiges Modellsystem zu entwickeln, das aus Aktin-Filamenten besteht, die an DNA-Molekülen hybridisiert sind. Durch Variation der Länge der DNA zum Vernetzungsmittel wollen die Wissenschaftler die Festigkeit und Steifigkeit des Zytoskelettbiomaterials kontrollieren. Kovalente und nicht-kovalente Verknüpfung von DNA an Aktin wird zur Herstellung des Netzwerks geprüft.

Mit diesem Versuchsansatz untersuchen die Wissenschaftler die dynamischen rheologischen Eigenschaften und das nichtlineare viskoelastische Verhalten des Aktin-DNA-Netzwerks zu untersuchen. Direkte Bildgebung wird auch eine 3D-Rekonstruktion der Netzstruktur und die Erzeugung von theoretischen Modellen ermöglichen.

Darüber hinaus wollen die Wissenschaftler die motorische Aktivität mit der Vernetzungsmittelstruktur zur Steuerung der Selbstorganisation der aktiven Biopolymernetze korrelieren. Um dies zu erreichen und den Einfluss der motorischen Aktivität auf die Netzwerkrheologie zu bewerten, verwenden sie Laserpinzetten, um eine aktive und passive Mikrorheologie durchzuführen.

Die Erkenntnisse von BIOLINK werden unser Verständnis der Rolle, die physikalische Wechselwirkungen bei der Regulierung von Prozessen wie der Gewebemorphogenese spielen, erweitern. Darüber hinaus soll das entwickelte biomimetische Zytoskelett als Grundlage für die Schaffung von zellinspirierten Materialien für materialwissenschaftliche Zwecke und von gewebeartigen Matrizen dienen, die in der Gewebezucht genutzt werden könnten.

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Fachgebiete

Scientific Research
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