@phdthesis{Goktas2019,
  author    = {Goktas, Melis},
  title     = {Coiled coils as molecular force sensors for the extracellular matrix},
  doi       = {10.25932/publishup-42749},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427493},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {xiv, 124},
  year      = {2019},
  abstract  = {Kraft spielt eine fundamentale Rolle bei der Regulation von biologischen Prozessen. Zellen messen mechanische Eigenschaften der extrazellul{\"a}ren Matrix und benutzen diese Information zur Regulierung ihrer Funktion. Dazu werden im Zytoskelett Kr{\"a}fte generiert und auf extrazellul{\"a}re Rezeptor-Ligand Wechselwirkungen {\"u}bertragen. Obwohl der grundlegende Einfluss von mechanischen Signalen f{\"u}r das Zellschicksal eindeutig belegt ist, sind die auf molekularer Ebene wirkenden Kr{\"a}fte kaum bekannt. Zur Messung dieser Kr{\"a}fte wurden verschiedene molekulare Kraftsensoren entwickelt, die ein mechanisches Inputsignal aufnehmen und in einen optischen Output (Fluoreszenz) umwandeln. Diese Arbeit etabliert einen neuen Kraftsensor-Baustein, der die mechanischen Eigenschaften der extrazellul{\"a}ren Matrix nachbildet. Dieser Baustein basiert auf nat{\"u}rlichen Matrixproteinen, sogenannten coiled coils (CCs), die α-helikale Strukturen im Zytoskelett und der Matrix formen. Eine Serie an CC-Heterodimeren wurde konzipiert und mittels Einzelmolek{\"u}l-Kraftspektroskopie und Molekulardynamik-Simulationen charakterisiert. Es wurde gezeigt, dass eine anliegende Scherkraft die Entfaltung der helikalen Struktur induziert. Die mechanische Stabilit{\"a}t (Separation der CC Helices) wird von der CC L{\"a}nge und der Zuggeschwindigkeit bestimmt. Im Folgenden wurden 2 CCs unterschiedlicher L{\"a}nge als Kraftsensoren verwendet, um die Adh{\"a}sionskr{\"a}fte von Fibroblasten und Endothelzellen zu untersuchen. Diese Kraftsensoren deuten an, dass diese Zelltypen unterschiedlich starke Kr{\"a}ften generieren und mittels Integrin-Rezeptoren auf einen extrazellul{\"a}ren Liganden (RGD-Peptid) {\"u}bertragen. Dieses neue CC-basierte Sensordesign ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Betrachtung zellul{\"a}rer Kraftwahrnehmungsprozesse auf molekularer Ebene, das neue Erkenntnisse {\"u}ber die involvierten Mechanismen und Kr{\"a}fte an der Zell-Matrix-Schnittstelle erm{\"o}glicht. Dar{\"u}ber hinaus wird dieses Sensordesign auch Anwendung bei der Entwicklung mechanisch kontrollierter Biomaterialien finden. Dazu k{\"o}nnen mechanisch charakterisierte, und mit einem Fluoreszenzreporter versehene, CCs in Hydrogele eingef{\"u}gt werden. Dies erlaubt die Untersuchung der Zusammenh{\"a}nge zwischen molekularer und makroskopischer Mechanik und er{\"o}ffnet neue M{\"o}glichkeiten zur Diskriminierung von lokalen und globalen Faktoren, die die zellul{\"a}re Antwort auf mechanische Signale bestimmen.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Sauter2016,
  author    = {Sauter, J{\"o}rg},
  title     = {The molecular origin of plant cell wall swelling},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {iii, 127 S.},
  year      = {2016},
  abstract  = {In dieser Arbeit werden die Eigenschaften von hydratisierten Hemicellulose Polysacchariden mittels Computersimulation untersucht. Die hohe Quellfähigkeit von Materialien die aus diesen Molek{\"u}len bestehen, erlaubt die Erzeugung von zielgerichteter Bewegung in Planzenmaterialien, ausschließlich gesteuert durch Wasseraufnahme. Um den molekularen Ursprung dieses Quellvermögens zu untersuchen wird, im Vergleich mit Experimenten, ein atomistisches Modell f{\"u}r Hemicellulose Polysaccharide entwickelt und getestet. Unter Verwendung dieses Modells werden Simulationen von kleinen Polysacchariden benutzt um die Wechselwirkungen mit Wasser, den Einfluss von Wasser auf die Konformationsfreiheit der Molek{\"u}le, und die Quellfähigkeit, quantifiziert durch den osmotischen Druck, zu verstehen. Es wird gezeigt, dass verzweigte und lineare Polysaccharide unterschiedliche Hydratisierungseingenschaften im Vergleich zu lineare Polysacchariden aufweisen. Um das Quellverhalten auf Längen- und Zeitskalen untersuchen zu können die {\"u}ber die Begrenzungen atomistischer Simulationen hinausgehen, wurde eine Prozedur entwickelt um {\"u}bertragbare vergröberte Modelle herzuleiten. Die Übertragbarkeit der vegröberten Modelle wird gezeigt, sowohl {\"u}ber unterschiedliche Polysaccharidkonzentrationen als auch {\"u}ber unterschiedliche Polymerlängen. Daher erlaubt die Prozedur die Konstruktion von großen vergröberter Systemen ausgehend von kleinen atomistischen Referenzsystemen. Abschließend wird das vergröberte Modell verwendet um zu zeigen, dass lineare und verzweigte Polysaccharide ein unterschiedliches Quellverhalten aufweisen, wenn sie mit einem Wasserbad gekoppelt werden.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Breuer2016,
  author    = {Breuer, David},
  title     = {The plant cytoskeleton as a transportation network},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-93583},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {164},
  year      = {2016},
  abstract  = {The cytoskeleton is an essential component of living cells. It is composed of different types of protein filaments that form complex, dynamically rearranging, and interconnected networks. The cytoskeleton serves a multitude of cellular functions which further depend on the cell context. In animal cells, the cytoskeleton prominently shapes the cell's mechanical properties and movement. In plant cells, in contrast, the presence of a rigid cell wall as well as their larger sizes highlight the role of the cytoskeleton in long-distance intracellular transport. As it provides the basis for cell growth and biomass production, cytoskeletal transport in plant cells is of direct environmental and economical relevance. However, while knowledge about the molecular details of the cytoskeletal transport is growing rapidly, the organizational principles that shape these processes on a whole-cell level remain elusive. This thesis is devoted to the following question: How does the complex architecture of the plant cytoskeleton relate to its transport functionality? The answer requires a systems level perspective of plant cytoskeletal structure and transport. To this end, I combined state-of-the-art confocal microscopy, quantitative digital image analysis, and mathematically powerful, intuitively accessible graph-theoretical approaches. This thesis summarizes five of my publications that shed light on the plant cytoskeleton as a transportation network: (1) I developed network-based frameworks for accurate, automated quantification of cytoskeletal structures, applicable in, e.g., genetic or chemical screens; (2) I showed that the actin cytoskeleton displays properties of efficient transport networks, hinting at its biological design principles; (3) Using multi-objective optimization, I demonstrated that different plant cell types sustain cytoskeletal networks with cell-type specific and near-optimal organization; (4) By investigating actual transport of organelles through the cell, I showed that properties of the actin cytoskeleton are predictive of organelle flow and provided quantitative evidence for a coordination of transport at a cellular level; (5) I devised a robust, optimization-based method to identify individual cytoskeletal filaments from a given network representation, allowing the investigation of single filament properties in the network context. The developed methods were made publicly available as open-source software tools. Altogether, my findings and proposed frameworks provide quantitative, system-level insights into intracellular transport in living cells. Despite my focus on the plant cytoskeleton, the established combination of experimental and theoretical approaches is readily applicable to different organisms. Despite the necessity of detailed molecular studies, only a complementary, systemic perspective, as presented here, enables both understanding of cytoskeletal function in its evolutionary context as well as its future technological control and utilization.},
  language  = {en}
}