Kräfte auf der Skala der Zelle

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1 Kräfte auf der Skala der Zelle Rodionov & Borisy, Molecular Biology of the Cell Steve Keller, Universität Bayreuth Holger Kress 42. Fortbildungsveranstaltung für Physiklehrer/innen 5. Oktober 2017

2 Sind Biologie und Physik miteinander vereinbar? Erwin Schrödinger What is Life?, Dublin 1944

3 Elementare zelluläre Vorgänge Zellteilung Intrazellulärer Transport z.b.: Pigmentgranulen in Pigmentzellen eines Fisches (Chromatische Adaption) Rodionov & Borisy, Molecular Biology of the Cell Ted Salmon Lab, UNC Chapel Hill Retrograd (zum Zellkern): Dynein-Motoren Anterograd (zur Peripherie): Kinesin-Motoren

4 Transport durch molekulare Motoren Alberts et al., Essential Cell Biology, 2010

5 Molekulare Motoren: Kinesin Molekulare Maschine: Kinesin Motor Geschwindigkeit: Schrittweite: Maximale Kraft: Energieumsatz pro Schritt: Prozessivität: 1-2 µm/s 8 nm ca. 6 pn 1 ATP (ca. 100 pn nm) Hunderte Schritte (Werte aus verschiedenen Veröffentlichungen: u. a. Steve Block Lab, Harvard University und Standford University) Ronald Vale Lab, University of California San Francisco

6 Molekulare Motoren: Myosin V Myosin V Motoren laufen entlang von Aktinfilamenten. Hochgeschwindigkeits-Rasterkraftmikroskopie (7 fps) Kodera et al. Nature (2010) Schrittweite: Maximale Kraft: Energieumsatz pro Schritt: ca. 36 nm ca. 2-3 pn 1 ATP (ca. 100 pn nm) Trybus, Nature (2005)

7 Größenabhängiger Transport in Zellen Partikel mit 3 µm Durchmesser Partikel mit 1 µm Durchmesser Steve Keller, Uni Bayreuth

8 Größenabhängiger Transport in Zellen: Bewegungscharakteristik Unveröffentlichte Daten

9 Größenabhängiger Transport in Zellen: Kräfte Unveröffentlichte Daten

10 Zelluläre Fangarme (Filopodien) Retraktion von Filopodien Kress et al., PNAS (2007)

11 Zelluläre Fangarme: Diskrete Schritte Schrittweitenhistogramm Aktinfilamente sind notwendig für Retraktion Aktinfilament-basierter Kraftgenerator mit Schrittweite von 36 nm Kress et al., PNAS (2007)

12 Zelluläre Fangarme: Kraft-Geschwindigkeits-Relation Verfügbare freie Energie pro Motorschritt: Maximale Kraft eines einzelnen Motors: fit parameter: d = 4.6 ± 0.4 nm Kress et al., PNAS (2007) Thermodynamisches Modell für mehrere molekulare Motoren: Kraft-abhängige Einzelmotor-Kinetik wird durch erweitertes Einzustandsmodell beschrieben Mehrere Motoren teilen sich die Zugkraft gleichmäßig auf

13 Zellmigration Vic Small, IMBA

14 Zellmigration durch Polymerisierung von Zellskelettfilamenten Phillips et al., Physical Biology of the Cell, 2013

15 Kräfte durch Zellskelettpolymerisierung Kügelchen in optischer Pinzette Wachsende Aktinfilamente Polymerisierungskräfte Footer et al., PNAS, 2007 (modifiziert) (Abhängig von Geschwindigkeit und ATP-Konzentration)

16 Mechanik der zellulären Partikelaufnahme Swanson, Nature Reviews Molecular Cell Biology (2008) Wie groß sind die Kräfte, die bei diesem Prozess wirken? Wie ändern sich rheologische Parameter, wie der Elastizitätsmodul lokal als Funktion der Zeit?

17 Magnetisch aktuierte Partikel bei der Phagozytose Irmscher, J. R. Soc. Interface (2013) Drehmoment & Rotationsbewegung Torsionssteifheit des Phagocytic Cups

18 Zeitliche Veränderung der Torsionssteifheit Irmscher, J. R. Soc. Interface (2013) Während der Internalisierung: Anstieg der Torsionssteifheit mit konstanter Geschwindigkeit Halbe Geschwindigkeit bei niedrigerer Temperatur

19 Modellierung der Torsionssteifheit des phagocytic cup Irmscher, J. R. Soc. Interface (2013) Modell (adaptiert von van Zon et al., 2009 und Ohayon et al., 2005): Torsionssteifheit als Funktion des Umhüllungsgrades Bestimmung der Umhüllungsgeschwindigkeit: zu Beginn ca. 20 nm/s, dann Anstieg auf ca. 120 nm/s

20 Ist eine Aktin-getriebene Umhüllung mit einer Geschwindigkeit von 20 nm/s plausibel? Kräfte: Aufzubringende Gesamtkraft: Aktinfilament-Längendichte: Kraft pro Filament: (aus Modell) (Größenordnung bei Lamellipodien) Geschwindigkeit: Kraft-Geschwindigkeits-Relation: Für v = 20 nm/s Kraft pro Filament:

21 Zelluläre Zugkräfte: Messverfahren und Größenordnungen Traction Force Microscopy mit elastischen Substraten Style et al., Soft Matter (2014) Größenordnungen von (zellulären) mechanischen Spannungen und Längen

22 Zelluläre Zugkräfte: Charakterisierung der Substrate Gross und Kress, Soft Matter (2017) Gleichzeitige Bestimmung von Elastizitätsmodul (Young-Modul) und Poissonzahl

23 Zelluläre Zugkräfte: Einfluss von Myosin II Zelle vor und nach Behandlung mit Myosin II-Inhibitor (Blebbistatin) Aktin Paxillin (Adhäsionsprotein) Zugkräfte Gardel Lab, Univ. of Chicago

24 Zelluläre Zugkräfte: Einfluss der Zellgröße und -geometrie Oakes et al., Biophysical Journal (2014) Zugkräfte abhängig von Zellgröße und lokaler Krümmung Gesamte Dehnungsenergie im wesentlichen Abhängig von Zellgröße

25 Danksagung Doktoranden/innen Konrad Berghoff Manuel Eisentraut Wolfgang Gross Steve Keller Anja Ramsperger Master- und Bachelorstudenten/innen Solange Hoffbauer Simon Wieland Sekretärin Jennifer Hennessy Techniker/innen Andrea Hanold Ralf Pihan Kathrin Weidner-Hertrampf Funding:

26 Übersicht Kräfte beim größenabhängigen Transport in Zellen Kräfte zellulärer Fangarme Kräfte bei der Polymerisierung von Zellskellettfilamenten Zelluläre Zugkräfte