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Active microrheology for probing stress transmission in complex media

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Mikrorheologie - Untersuchung komplexer Medien

Mit wissenschaftlichen Fortschritten gelangen zwar bereits einzigartige Einblicke in die Struktur des Zytoskeletts, einem Netzwerk aus Proteinen und fadenförmigen Zellstrukturen, über die dynamischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften ist jedoch weniger bekannt.

Gesundheit

Das EU-finanzierte Forschungsprojekt "Active microrheology for probing stress transmission in complex media" (ACTIVE) untersuchte mittels passiver und aktiver Mikrorheologie (Analyse des Fließverhaltens aus der mikroskopischen Struktur von Stoffen) in vitro rekonstituierte Zytoskelette. Die Mikrorheologie untersucht Eigenschaften auf Gesamt- und lokaler Ebene, u.a. die Viskoelastizität eines Materials, indem Bewegungen von Kolloidteilchen in einer Probe gemessen werden. Nun sollte anhand weniger ausgewählter Proteine das Zytoskelettnetzwerk rekonstruiert sowie Funktion und Eigenschaften bestimmt werden. So wurden Actomyosin-Netzwerke hergestellt und charakterisiert, mikroskopische Versuchsanordnungen für mikrorheologische Messungen erstellt und die entsprechende Analysesoftware und Methodik entwickelt. Entwickelt wurde ein konfokales Bildgebungssystem mit holographischen optischen Pinzetten für optisches 3D-Trapping und Bildgebung im Mikrometerbereich. Mögliche Anwendungen sind die Herstellung von kolloidalen photonischen Systemen, 3D-Aktiv-Mikrorheologie und Hochdurchsatz-Analysen der Zelldynamik. Am In-vitro-Modellsystem des Zytoskeletts untersuchten die Forscher die Funktion des Proteins Myosin II bei der Bildung, Struktur und Dynamik des Zytoskeletts. Das Protein ist für die Selbstassemblierung und -organisation des Zytoskeletts durch Vernetzung und Regulierung von Actin zuständig. Mit mikrorheologischen Messungen der F-Actin-Netzwerke wurde die nichtlineare Antwort solch komplexer Systeme auf Störungen ermittelt. An einem Zwei-Fluid-Modell wurden auf Gesamt- und lokaler Ebene theoretische und experimentelle Daten über viskoelastische Eigenschaften unterschiedlich großer Netze verglichen. Dabei korrelierten die experimentellen und theoretischen Ergebnisse in der Übergangsphase hervorragend. Mit den von ACTIVE entwickelten Methoden konnten komplexe Flüssigkeitsstrukturen wie biologische Zellen charakterisiert werden. Weitere Anwendungen sind viskoelastische Messungen und die rheologische Charakterisierung komplexer Medien wie Proteine, Polymere und Tensidformulierungen, was sich vor allem für den biomedizinischen, chemischen und pharmazeutischen Sektor als nützlich erweisen sollte.

Schlüsselbegriffe

Mikrorheologie, komplexe Medien, Zytoskelett, Stressübertragung, Viskoelastizität, kolloidal, Eiweiß, Actomyosin, konfokale Bildgebung, optische Fallen, Zelldynamik

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