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The mechanics and transport of the active cytoskeleton in biomimetic and living cellular systems

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Bewegung in und zwischen lebenden Zellen

Der Transport von Molekülen und Organellen zwischen Zellen spielt eine Rolle bei vielen Funktionen wie Migration und Teilung. Eine EU-Forschung hat untersucht, wie dieser entscheidende Prozess mit der metastatischen Ausbreitung von Krebs in Verbindung gebracht wird.

Grundlagenforschung

Der intrazelluläre Transport kann durch molekulare Motoren oder durch Zytoskelettschwankungen und den Zytoplasmafluss gesteuert werden. Die Interaktion des Zytoskeletts im Bulk-Zytoplasma sowie der Zellkortex ist ein Schlüsselfaktor für das Verständnis der Zellkomponentenbewegung. Da über den Prozess der Zytoskelett-Kortex-Interaktion wenig bekannt ist, charakterisierte das BIOMIMETIC-MECHANICS-Projekt die Zytoskelettmechanik in biomimetischen und lebenden Systemen. Die Arbeit umfasste die Entwicklung eines theoretischen und experimentellen Rahmens zur Charakterisierung der Nichtgleichgewichtsaktivität in lebenden Zellen und anderen biomimetischen Systemen. Die Forscher entwickelten außerdem verfeinerte Protokolle für optische Pinzettenmessungen in biomimetischen Systemen und lebenden Zellen sowie Kraftmessungen an biomimetischen Systemen und die Entwicklung von Mausoozyten. Um die Bedeutung der aktiven Diffusion, einer Kraft, die in der Lage ist, große Organellen zu bewegen, hervorzuheben, untersuchte BIOMIMETIC-MECHANICS die Positionierung des zentral gelegenen Zellkerns in Mausoozyten. Normalerweise bestimmt das Zentrosom den Zellschwerpunkt, aber die Oozyten besitzen keine Zentrosome. Mithilfe einer Live-Bildgebung konnten Forscher zeigen, dass die aktive Diffusion aktinbeschichteter Vesikel, die von Myosin Vb angetrieben wird, einen Druckgradienten und eine Antriebskraft erzeugt, die ausreichen, um den Oozytenkern zu bewegen, indem das Zytoplasma flüssiger wird. Die Struktur und Form lebender Zellen wird hauptsächlich durch Biopolymerfilamente und molekulare Motoren des Zytoskeletts bestimmt. Die aktive Zellmechanik integriert die Wirkkräfteerzeugung im molekularen Maßstab in die Mechanik der Werkstoffe. Unter Verwendung des Langevin-Gerüsts haben die Forscher intrazelluläre mechanische Kräfte gemessen, um ein quantitatives Verständnis der mechanischen Aktivität des Nichtgleichgewichts in lebenden Zellen zu erhalten. Da lebende Organismen normalerweise außerhalb von Gleichgewichtssystemen sind, hat das Team ein mikroskopisches Modell verwendet, um die Menge an mechanischer Energie vorherzusagen, die in solchen Dynamiken erzeugt wird. Sie verfolgten Mikron große Vesikel im Zytoplasma der Eizelle und maßen das Spektrum der verbrauchten Energie. Das Modell stimmt mit experimentellen Daten überein und kann verwendet werden, um Energieinjektions- und Dissipations-Skalen vorherzusagen, die an aktiven Fluktuationen beteiligt sind. Die Projektforschungsergebnisse von BIOMIMETIC-MECHANICS stellen eine sehr solide Wissensbasis dar, um zu verstehen, wie Mechanik die Zellmotilität und -teilung beeinflusst. Der nächste Schritt könnte die Entwicklung neuer klinischer Behandlungsmethoden für Krebs auf der Grundlage dieser Erkenntnisse sein.

Schlüsselbegriffe

Lebende Zellen, intrazellulärer Transport, Zytoskelett, BIOMIMETIK-MECHANIK, Mechanik

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Grundlagenforschung

6 Oktober 2022