TY  - THES
A1  - Pitzen, Valentin
T1  - Weitergeführte funktionelle Charakterisierung des centrosomalen Proteins Cep192 und Untersuchung der Topologie des Centrosoms in Dictyostelium Amöben
T1  - Functional Characterization of the Centrosomal Protein Cep192 and Investigation of the Topology of the Centrosome in Dictyostelium amoeba
N2  - Das Centrosom von Dictyostelium ist acentriolär aufgebaut, misst ca. 500 nm und besteht aus einer dreischichten Core-Struktur mit umgebender Corona, an der Mikrotubuli nukleieren. In dieser Arbeit wurden das centrosomale Protein Cep192 und mögliche Interaktionspartner am Centrosom eingehend untersucht. Die einleitende Lokalisationsuntersuchung von Cep192 ergab, dass es während der gesamten Mitose an den Spindelpolen lokalisiert und im Vergleich zu den anderen Strukturproteinen der Core-Struktur am stärksten exprimiert ist. Die dauerhafte Lokalisation an den Spindelpolen während der Mitose wird für Proteine angenommen, die in den beiden identisch aufgebauten äußeren Core-Schichten lokalisieren, die das mitotische Centrosom formen. Ein Knockdown von Cep192 führte zur Ausbildung von überzähligen Mikrotubuli-organisierenden Zentren (MTOC) sowie zu einer leicht erhöhten Ploidie. Deshalb wird eine Destabilisierung des Centrosoms durch die verminderte Cep192-Expression angenommen. An Cep192 wurden zwei kleine Tags, der SpotH6- und BioH6-Tag, etabliert, die mit kleinen fluoreszierenden Nachweiskonjugaten markiert werden konnten. Mit den so getagten Proteinen konnte die hochauflösende Expansion Microscopy für das Centrosom optimiert werden und die Core-Struktur erstmals proteinspezifisch in der Fluoreszenzmikroskopie dargestellt werden. Cep192 lokalisiert dabei in den äußeren Core-Schichten. Die kombinierte Markierung von Cep192 und den centrosomalen Proteinen CP39 und CP91 in der Expansion Microscopy erlaubte die Darstellung des dreischichtigen Aufbaus der centrosomalen Core-Struktur, wobei CP39 und CP91 zwischen Cep192 in der inneren Core-Schicht lokalisieren. Auch die Corona wurde in der Expansion Microscopy untersucht: Das Corona-Protein CDK5RAP2 lokalisiert in räumlicher Nähe zu Cep192 in der inneren Corona. Ein Vergleich der Corona-Proteine CDK5RAP2, CP148 und CP224 in der Expansion Microscopy ergab unterscheidbare Sublokalisationen der Proteine innerhalb der Corona und relativ zur Core-Struktur. In Biotinylierungsassays mit den centrosomalen Core-Proteinen CP39 und CP91 sowie des Corona-Proteins CDK5RAP2 konnte Cep192 als möglicher Interaktionspartner identifiziert werden. 
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen die wichtige Funktion des Proteins Cep192 im Dictyostelium-Centrosom und ermöglichen durch die Kombination aus Biotinylierungsassays und Expansion Microscopy der untersuchten Proteine ein verbessertes Verständnis der Topologie des Centrosoms.
N2  - The Dictyostelium centrosome contains no centrioles and has a diameter of approx. 500 nm. It consists of a three layered core structure and a surrounding corona, which nucleates microtubules. This work focusses on the centrosomal protein Cep192 and potential interactors at the centrosome. Localization studies showed, that Cep192 is a permanent resident at the spindle poles during mitosis and that, compared to other centrosomal core proteins, Cep192 is expressed at the highest level. The permanent residence at the spindle poles throughout mitosis is assumed for proteins which localize to the outer core layers, which form the mitotic centrosome. A knockdown of Cep192 resulted in supernumerary microtubule organizing centers (MTOC) and a slightly higher ploidy. Due to the phenotype, a destabilization of the centrosome caused by the reduced Cep192 expression is assumed. Cep192 was fused to the newly established short tags BioH6 and SpotH6, which are recognized by small fluorescently labelled probes. The tagged proteins were used for superresolution expansion microscopy. Superresolution expansion microscopy was optimized for the centrosome and allowed the protein specific resolving of the core structure for the first time. Cep192 localizes to the outer core layers. Combination of tagged proteins nicely mirrored all three core layers. CP39 and CP91 localize inbetween Cep192 in the inner core layer. Corona proteins were included in the expansion microscopy: the corona protein CDK5RAP2 comes into close proximity of Cep192 and localizes to the inner corona. A comparison with CP148 and CP224, two other corona proteins, revealed a distinct localization of the proteins within the corona and relatively to the core structure. Applied biotinylase assays with the core proteins CP39 and CP91, as well with the corona protein CDK5RAP2 revealed Cep192 as a possible interaction partner of all three proteins.
The results of this work show the important function of Cep192 at the Dictyostelium centrosome and through the biotinylase assay and expansion microscopy data shed a light on the refined Dictyostelium centrosome topology.
KW  - Centrosom
KW  - Fluoreszenzmikroskopie
KW  - expansion microscopy
KW  - Cep192
KW  - CDK5RAP2
KW  - fluorescence microscopy
KW  - Cep192
KW  - CDK5RAP2
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-548891
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Klauß, André
A1  - König, Marcelle
A1  - Hille, Carsten
T1  - Upgrade of a scanning confocal microscope to a single-beam path STED microscope
T2  - PLoS ONE
N2  - By overcoming the diffraction limit in light microscopy, super-resolution techniques, such as stimulated emission depletion (STED) microscopy, are experiencing an increasing impact on life sciences. High costs and technically demanding setups, however, may still hinder a wider distribution of this innovation in biomedical research laboratories. As far-field microscopy is the most widely employed microscopy modality in the life sciences, upgrading already existing systems seems to be an attractive option for achieving diffraction-unlimited fluorescence microscopy in a cost-effective manner. Here, we demonstrate the successful upgrade of a commercial time-resolved confocal fluorescence microscope to an easy-to-align STED microscope in the single-beam path layout, previously proposed as "easy-STED", achieving lateral resolution <lambda/10 corresponding to a five-fold improvement over a confocal modality. For this purpose, both the excitation and depletion laser beams pass through a commercially available segmented phase plate that creates the STED-doughnut light distribution in the focal plane, while leaving the excitation beam unaltered when implemented into the joint beam path. Diffraction-unlimited imaging of 20 nm-sized fluorescent beads as reference were achieved with the wavelength combination of 635 nm excitation and 766 nm depletion. To evaluate the STED performance in biological systems, we compared the popular phalloidin-coupled fluorescent dyes Atto647N and Abberior STAR635 by labeling F-actin filaments in vitro as well as through immunofluorescence recordings of microtubules in a complex epithelial tissue. Here, we applied a recently proposed deconvolution approach and showed that images obtained from time-gated pulsed STED microscopy may benefit concerning the signal-to-background ratio, from the joint deconvolution of sub-images with different spatial information which were extracted from offline time gating.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 425 
KW  - optical reconstruction microscopy
KW  - emission depletion microscopy
KW  - fluorescence microscopy
KW  - stimulated emission
KW  - subdiffraction-resolution
KW  - structured illumination
KW  - localization microscopy
KW  - salivary-glands
KW  - V-ATPase
KW  - nanoscopy
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-410261
ER  - 
TY  - THES
A1  - Koikkarah Aji, Amit
T1  - Quantitative sub cellular characterization of Hantavirus structural proteins
T1  - Quantitativ Subzellulär Charakterisierung Von Hantavirus-Strukturproteine.
N2  - Hantaviruses (HVs) are a group of zoonotic viruses that infect human beings primarily through aerosol transmission of rodent excreta and urine samplings. HVs are classified geographically into: Old World HVs (OWHVs) that are found in Europe and Asia, and New World HVs (NWHVs) that are observed in the Americas. These different strains can cause severe hantavirus diseases with pronounced renal syndrome or severe cardiopulmonary system distress. HVs can be extremely lethal, with NWHV infections reaching up to 40 % mortality rate. HVs are known to generate epidemic outbreaks in many parts of the world including Germany, which has seen periodic HV infections over the past decade. HV has a trisegmented genome. The small segment (S) encodes the nucleocapsid protein (NP), the middle segment (M) encodes the glycoproteins (GPs) Gn and Gc which forms up to tetramers and primarily monomers \& dimers upon independent expression respectively and large segment (L) encodes RNA dependent RNA polymerase (RdRp). Interactions between these viral proteins are crucial in providing mechanistic insights into HV virion development. Despite best efforts, there continues to be lack of quantification of these associations in living cells. This is required in developing the mechanistic models for HV viral assembly. This dissertation focuses on three key questions pertaining to the initial steps of virion formation that primarily involves the GPs and NP.

The research investigations in this work were completed using Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) approaches. FCS is frequently used in assessing the biophysical features of bio-molecules including protein concentration and diffusion dynamics and circumvents the requirement of protein overexpression. FCS was primarily applied in this thesis to evaluate protein multimerization, at single cell resolution.

The first question addressed which GP spike formation model proposed by Hepojoki et al.(2010) appropriately describes the evidence in living cells.  A novel in cellulo assay was developed to evaluate the amount of fluorescently labelled and unlabeled GPs upon co-expression. The results clearly showed that Gn and Gc initially formed a heterodimeric Gn:Gc subunit. This sub-unit then multimerizes with congruent Gn:Gc subunits to generate the final GP spike. Based on these interactions, models describing the formation of GP complex (with multiple GP spike subunits) were additionally developed.

HV GP assembly primarily takes place in the Golgi apparatus (GA) of infected cells. Interestingly, NWHV GPs are hypothesized to assemble at the plasma membrane (PM). This led to the second research question in this thesis, in which a systematic comparison between OWHV and NWHV GPs was conducted to validate this hypothesis. Surprisingly, GP localization at the PM was congruently observed with OWHV and NWHV GPs. Similar results were also discerned with OWHV and NWHV GP localization in the absence of cytoskeletal factors that regulate HV trafficking in cells.  

The final question focused on quantifying the NP-GP interactions and understanding their influence of NP and GP multimerization. Gc mutlimers  were detected in the presence of NP and complimented by the presence of localized regions of high NP-Gc interactions in the perinuclear region of living cells. Gc-CT domain was shown to influence NP-Gc associations. Gn, on the other hand, formed up to tetrameric complexes, independent from the presence of NP.

The results in this dissertation sheds light on the initial steps of HV virion formation by quantifying homo and heterotypic interactions involving NP and GPs, which otherwise are very difficult to perform. Finally, the in cellulo methodologies implemented in this work can be potentially extended to understand other key interactions involved in HV virus assembly.
N2  - Hantaviren (HVs) gehören zu einer Gruppe von Zoonosenviren, die den Menschen hauptsächlich über Aerosolübertragung von Nagetierausscheidungen und Urinproben infizieren. HVs werden geografisch unterteilt in: Alte Welt-HVs (OWHVs), die in Europa und Asien vorkommen, und Neue Welt-HVs (NWHVs), die auf dem amerikanischen Kontinent beobachtet werden. Diese verschiedenen Stämme können schwere Krankheiten verursachen, wie hämorrhagisches Fieber mit Nierensyndrom oder schwere Herz-Lungen-Störungen. HVs haben eine hohe Sterblichkeitsrate, wobei NWHV-Infektionen eine Sterblichkeitsrate von bis zu 40 % erreichen. Es ist bekannt, dass HVs in vielen Teilen der Welt epidemische Ausbrüche verursachen können, so auch in Deutschland, wo in den letzten zehn Jahren regelmäßig HV-Infektionen vorkamen. HV besitzt ein trisegmentiertes Genom. Das kleine Segment (S) kodiert das Nukleokapsidprotein (NP), das mittlere Segment (M) kodiert die Glykoproteine (GPs) Gn und Gc, die bei unabhängiger Expression Tetramere und Dimere bilden, und das große Segment (L) kodiert die RNA-abhängige RNA-Polymerase (RdRp). 

Die Wechselwirkungen zwischen diesen viralen Proteinen sind von entscheidender Bedeutung für die Aufklärung der Mechanismen der HV-entwicklung. Trotz aller Bemühungen fehlt es nach wie vor an der Quantifizierung dieser Verbindungen in lebenden Zellen. Dies ist für die Entwicklung komplexer Modelle für den Aufbau von HV erforderlich. Diese Arbeit konzentriert sich auf drei Schlüsselfragen im Zusammenhang mit den ersten Phasen der Virionenbildung, an denen hauptsächlich die GPs und NP beteiligt sind.

Die Forschungsaufgaben in dieser Arbeit wurden mit Hilfe der Fluoreszenzkorrelationspektroskopie (FCS) untersucht. Die FCS wird häufig zur Bewertung der biophysikalischen Eigenschaften von Biomolekülen, einschließlich der Proteinkonzentration und Diffusionsdynamik, eingesetzt und macht eine Überexpression von Proteinen überflüssig. In dieser Arbeit wurde FFS in erster Linie eingesetzt, um die Multimerisierung von Proteinen bei Einzelzellauflösung zu untersuchen.

Die erste Frage lautete, welches das von Hepojoki et al. (2010) vorgeschlagene Modell der GP-Spike-Bildung den Vorgang in lebenden Zellen adäquat beschreibt. Es wurde ein neuartiger in cellulo-Assay entwickelt, um die Konzentration von fluoreszenzmarkierten und unmarkierten GPs bei der Ko-expression zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigten deutlich, dass Gn und Gc zunächst eine heterodimere Gn:Gc-Untereinheit bilden. Diese Untereinheit multimerisiert dann mit kongruenten Gn:Gc-Untereinheiten, um den finalen GP-Spike zu erzeugen. Auf der Grundlage dieser Interaktionen wurden zusätzlich Modelle entwickelt, die die Bildung des GP-Komplexes (mit mehreren GP-Spike-Untereinheiten) beschreiben.

Die HV-GP-Assemblierung findet hauptsächlich im Golgi-Apparat (GA) von infizierten Zellen statt. Interessanterweise wird angenommen, dass NWHV GPs an der Plasmamembran (PM) assembliert werden. Dies führte zur zweiten Frage dieser Arbeit, bei der ein systematischer Vergleich zwischen OWHV- und NWHV-GP durchgeführt wurde, um diese Hypothese zu bestätigen. Überraschenderweise wurde die GP-Lokalisierung an der PM bei OWHV- und NWHV-GPs gleichermaßen beobachtet. Ähnliche Ergebnisse wurden auch bei der Lokalisierung von OWHV- und NWHV-GP in Abwesenheit von zytoskelettalen Faktoren festgestellt, die die HV-Infektion regulieren.

Die letzte Frage dieser Arbeit konzentrierte sich auf die Quantifizierung der NP-GP-Wechselwirkungen und das Verständnis ihres Einflusses auf die Multimerisierung von NP und GPs. Gc-Multimere, die in Gegenwart von NP nachgewiesen wurden, wurden durch das Vorhandensein von perinukleär lokalisierten Regionen mit starken NP-Gc-Wechselwirkungen in lebenden Zellen komplettiert. Es wurde gezeigt, dass die Gc-CT-Domäne die NP-Gc-Assoziationen beeinflusst. Gn hingegen bildete unabhängig von der Anwesenheit von NP tetramerische Komplexe.

Die Ergebnisse dieser Arbeit geben Aufschluss über die ersten Phasen der HV-Assemblierung, indem sie die Homo- und Hetero-Interaktionen zwischen NP und GPs quantifizieren, was sonst nur sehr schwer möglich ist. Schließlich können die in dieser Arbeit implementierten in cellulo-Methoden potenziell erweitert werden, um andere Schlüsselinteraktionen zu verstehen, die an der HV-Assemblierung beteiligt sind.
KW  - Hantavirus
KW  - fluorescence microscopy
KW  - fluorescence correlation spectroscopy
KW  - protein multimerization
KW  - virus assembly
KW  - single cell imaging
KW  - Hantaviren
KW  - Fluoreszenzmikroskopie
KW  - Fluoreszenzkorrelationspektroskopie
KW  - Virionenbildung
KW  - Proteinmultimerisierung
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-586612
ER  - 
TY  - THES
A1  - Breitenstein, Michael
T1  - Ortsaufgelöster Aufbau von DNA-Nanostrukturen auf Glasoberflächen
T1  - Assembly of DNA nanostructures on glass surfaces
N2  - Im Fokus dieser Arbeit stand der Aufbau einer auf DNA basierenden Nanostruktur. Der universelle Vier-Buchstaben-Code der DNA ermöglicht es, Bindungen auf molekularer Ebene zu adressieren. Die chemischen und physikalischen Eigenschaften der DNA prädestinieren dieses Makromolekül für den Einsatz und die Verwendung als Konstruktionselement zum Aufbau von Nanostrukturen. Das Ziel dieser Arbeit war das Aufspannen eines DNA-Stranges zwischen zwei Fixpunkten. Hierfür war es notwendig, eine Methode zu entwickeln, welche es ermöglicht, Funktionsmoleküle als Ankerelemente ortsaufgelöst auf eine Oberfläche zu deponieren. Das Deponieren dieser Moleküle sollte dabei im unteren Mikrometermaßstab erfolgen, um den Abmaßen der DNA und der angestrebten Nanostruktur gerecht zu werden. Das eigens für diese Aufgabe entwickelte Verfahren zum ortsaufgelösten Deponieren von Funktionsmolekülen nutzt das Bindungspaar Biotin-Neutravidin. Mit Hilfe eines Rasterkraftmikroskops (AFM) wurde eine zu einem „Stift“ umfunktionierte Rasterkraftmikroskopspitze so mit der zu deponierenden „Tinte“ beladen, dass das Absetzen von Neutravidin im unteren Mikrometermaßstab möglich war. Dieses Neutravidinmolekül übernahm die Funktion als Bindeglied zwischen der biotinylierten Glasoberfläche und dem eigentlichen Adressmolekül. Das somit generierte Neutravidin-Feld konnte dann mit einem biotinylierten Adressmolekül durch Inkubation funktionalisiert werden. Namensgebend für dieses Verfahren war die Möglichkeit, Neutravidin mehrmals zu deponieren und zu adressieren. Somit ließ sich sequenziell ein Mehrkomponenten-Feld aufbauen. Die Einschränkung, mit einem AFM nur eine Substanz deponieren zu können, wurde so umgangen. Ferner mußten Ankerelemente geschaffen werden, um die DNA an definierten Punkten immobilisieren zu können. Die Bearbeitung der DNA erfolgte mit molekularbiologischen Methoden und zielte darauf ab, einen DNA-Strang zu generieren, welcher an seinen beiden Enden komplementäre Adressequenzen enthält, um gezielt mit den oberflächenständigen Ankerelementen binden zu können. Entsprechend der Geometrie der mit dem AFM erzeugten Fixpunkte und den oligonukleotidvermittelten Adressen kommt es zur Ausbildung einer definierten DNA-Struktur. Mit Hilfe von fluoreszenzmikroskopischen Methoden wurde die aufgebaute DNA-Nanostruktur nachgewiesen. Der Nachweis der nanoskaligen Interaktion von DNA-bindenden Molekülen mit der generierten DNA-Struktur wurde durch die Bindung von PNA (peptide nucleic acid) an den DNA-Doppelstrang erbracht. Diese PNA-Bindung stellt ihrerseits ein funktionales Strukturelement im Nanometermaßstab dar und wird als Nanostrukturbaustein verstanden.
N2  - The main aim of this work was the development of a DNA-based nanostructure. The universal four-letter code of DNA allows addressing bonds at the molecular level. The chemical and physical property of DNA makes this macromolecule an ideal candidate as a construction element for nanostructures. The aim of this work was to span a DNA strand between two fixed points. For this purpose it was necessary to develop a method which makes it possible to deposit functional molecules as anchoring elements with highly spatial resolution on a surface. These molecules should be immobilized on the lower micrometer scale to meet the requirements of the desired nanostructure. The method that has been developed for this task, which enables to deposit functional molecules, uses the binding pair biotin-neutravidin. Using the tip of an atomic force microscope (AFM), which can be uses like a pen, it was possible to deposit neutravidin on the lower micrometer scale. This neutravidin molecule is the linking element between the biotinylated glass surface and the actual address molecule. The thus generated neutravidin field could then be functionalized with a biotinylated molecule by incubation. The method has been published as sequential spotting method because it enables a sequential functionalization of neutravidin after it has been deposited. It was so possible to build up a multi-component array. The limitation of being able to deposit only one single substance with an AFM has been circumvented. It also was necessary to create anchor elements in order to immobilize the DNA at defined positions. The processing of the DNA was carried out using molecular biological methods and aimed at generating a DNA strand, which at both ends has a complementary sequence for binding to the surface bound anchor elements. The defined structure is a result of the geometry of the fixed points, generated by the AFM. Using fluorescence microscopy, the constructed DNA nanostructure was detected. The proof of the interaction of DNA-binding molecules with the DNA structure was carried out by the binding of PNA (peptide nucleic acid), which is capable of binding to double stranded DNA. The PNA and its DNA-interaction is a functional building block in the nanometer scale and can be regarded as a promising nanostructure.
KW  - Nanostruktur
KW  - DNA
KW  - Rasterkraftmikroskop
KW  - Fluoreszenzmikroskopie
KW  - Oberflächenfunktionalisierung
KW  - nanostructure
KW  - DNA
KW  - atomic force microscope
KW  - fluorescence microscopy
KW  - surface chemistry
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-61857
ER  - 
TY  - THES
A1  - Niedermayer, Thomas
T1  - On the depolymerization of actin filaments
T1  - Über die Depolymerisation von Aktinfilamenten
N2  - Actin is one of the most abundant and highly conserved proteins in eukaryotic cells. The globular protein assembles into long filaments, which form a variety of different networks within the cytoskeleton. The dynamic reorganization of these networks - which is pivotal for cell motility, cell adhesion, and cell division - is based on cycles of polymerization (assembly) and depolymerization (disassembly) of actin filaments. Actin binds ATP and within the filament, actin-bound ATP is hydrolyzed into ADP on a time scale of a few minutes. As ADP-actin dissociates faster from the filament ends than ATP-actin, the filament becomes less stable as it grows older. Recent single filament experiments, where abrupt dynamical changes during filament depolymerization have been observed, suggest the opposite behavior, however, namely that the actin filaments become increasingly stable with time. Several mechanisms for this stabilization have been proposed, ranging from structural transitions of the whole filament to surface attachment of the filament ends. The key issue of this thesis is to elucidate the unexpected interruptions of depolymerization by a combination of experimental and theoretical studies. In new depolymerization experiments on single filaments, we confirm that filaments cease to shrink in an abrupt manner and determine the time from the initiation of depolymerization until the occurrence of the first interruption. This duration differs from filament to filament and represents a stochastic variable. We consider various hypothetical mechanisms that may cause the observed interruptions. These mechanisms cannot be distinguished directly, but they give rise to distinct distributions of the time until the first interruption, which we compute by modeling the underlying stochastic processes. A comparison with the measured distribution reveals that the sudden truncation of the shrinkage process neither arises from blocking of the ends nor from a collective transition of the whole filament. Instead, we predict a local transition process occurring at random sites within the filament. The combination of additional experimental findings and our theoretical approach confirms the notion of a local transition mechanism and identifies the transition as the photo-induced formation of an actin dimer within the filaments. Unlabeled actin filaments do not exhibit pauses, which implies that, in vivo, older filaments become destabilized by ATP hydrolysis. This destabilization can be identified with an acceleration of the depolymerization prior to the interruption. In the final part of this thesis, we theoretically analyze this acceleration to infer the mechanism of ATP hydrolysis. We show that the rate of ATP hydrolysis is constant within the filament, corresponding to a random as opposed to a vectorial hydrolysis mechanism.
N2  - Aktin ist eines der am häufigsten vorkommenden und am stärksten konservierten Proteine in eukaryotischen Zellen. Dieses globuläre Protein bildet lange Filamente, die zu einer großen Vielfalt von Netzwerken innerhalb des Zellskeletts führen. Die dynamische Reorganisation dieser Netzwerke, die entscheidend für Zellbewegung, Zelladhäsion, und Zellteilung ist, basiert auf der Polymerisation (dem Aufbau) und der Depolymerisation (dem Abbau) von Aktinfilamenten. Aktin bindet ATP, welches innerhalb des Filaments auf einer Zeitskala von einigen Minuten in ADP hydrolysiert wird. Da ADP-Aktin schneller vom Filamentende dissoziiert als ATP-Aktin, sollte ein Filament mit der Zeit instabiler werden. Neuere Experimente, in denen abrupte dynamische Änderungen während der Filamentdepolymerisation beobachtet wurden, deuten jedoch auf ein gegenteiliges Verhalten hin: Die Aktinfilamente werden mit der Zeit zunehmend stabiler. Mehrere Mechanismen für diese Stabilisierung wurden bereits vorgeschlagen, von strukturellen Übergängen des gesamten Filaments bis zu Wechselwirkungen der Filamentenden mit dem experimentellen Aufbau. Das zentrale Thema der vorliegenden Dissertation ist die Aufklärung der unerwarteten Unterbrechungen der Depolymerisation. Dies geschieht durch eine Kombination von experimentellen und theoretischen Untersuchungen. Mit Hilfe neuer Depolymerisationexperimente mit einzelnen Filamenten bestätigen wir zunächst, dass die Filamente plötzlich aufhören zu schrumpfen und bestimmen die Zeit, die von der Einleitung der Depolymerisation bis zum Auftreten der ersten Unterbrechung vergeht. Diese Zeit unterscheidet sich von Filament zu Filament und stellt eine stochastische Größe dar. Wir untersuchen daraufhin verschiedene hypothetische Mechanismen, welche die beobachteten Unterbrechungen verursachen könnten. Die Mechanismen können experimentell nicht direkt unterschieden werden, haben jedoch verschiedene Verteilungen für die Zeit bis zur ersten Unterbrechung zur Folge. Wir berechnen die jeweiligen Verteilungen, indem wir die zugrundeliegenden stochastischen Prozesse modellieren. Ein Vergleich mit der gemessenen Verteilung zeigt, dass der plötzliche Abbruch des Depolymerisationsprozesses weder auf eine Blockade der Enden, noch auf einen kollektiven strukturellen Übergang des gesamten Filaments zurückzuführen ist. An Stelle dessen postulieren wir einen lokalen Übergangsprozess, der an zufälligen Stellen innerhalb des Filaments auftritt. Die Kombination von weiteren experimentellen Ergebnissen und unserem theoretischen Ansatz bestätigt die Vorstellung eines lokalen Übergangsmechanismus und identifiziert den Übergang als die photo-induzierte Bildung eines Aktindimers innerhalb des Filaments. Nicht fluoreszenzmarkierte Aktinfilamente zeigen keine Unterbrechungen, woraus folgt, dass ältere Filamente in vivo durch die ATP-Hydrolyse destabilisiert werden. Die Destabilisierung zeigt sich durch die Beschleunigung der Depolymerisation vor der Unterbrechung. Im letzten Teil der vorliegenden Arbeit untersuchen wir diese Beschleunigung mit theoretischen Methoden, um auf den Mechanismus der ATP-Hydrolyse zu schließen. Wir zeigen, dass die Hydrolyserate von ATP innerhalb des Filaments konstant ist, was dem sogenannten zufälligen Hydrolysemechanismus entspricht und im Gegensatz zum sogenannten vektoriellen Mechanismus steht.
KW  - Aktinfilamente
KW  - Depolymerisation
KW  - stochastische Prozesse
KW  - Fluoreszenzmikroskopie
KW  - ATP-Hydrolyse
KW  - actin filaments
KW  - depolymerization
KW  - stochastic processes
KW  - fluorescence microscopy
KW  - ATP hydrolysis
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-63605
ER  - 
TY  - THES
A1  - Roder, Phillip
T1  - Kombination von Fluoreszenzmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie zur Aufklärung physiologischer Prozesse in lebenden Zellen
T1  - Combination of fluorescence microscopy and atomic force microscopy for the investigation of physiological processes in living cells
BT  - Charakterisierung und Anwendung einer neuartigen lokalen Mikromanipulationstechnik
BT  - characterisation and application of a novel local micromanipulation technique
N2  - Innerhalb dieser Doktorarbeit wurde eine neuartige Mikromanipulationstechnik für die lokale Flüssigkeitsabgabe am komplexen Drüsengewebe der Schabe P. americana charakterisiert und für die damit verbundene gezielte Manipulation von einzelnen Zellen in einem Zellkomplex (Gewebe) angewandt. Bei dieser Mikromanipulationstechnik handelt es sich um die seit 2009 bekannte nanofluidische Rasterkraftmikroskopie (FluidFM = fluidic force microscopy). Dabei werden sehr kleine mikrokanälige Rasterkraftspitzen bzw. Mikro-/Nanopipetten mit einer Öffnung zwischen 300 nm und 2 µm verwendet, mit denen es möglich ist, sehr kleine Volumina im Pikoliter- bis Femtoliter-Bereich (10-12 L – 10-15 L) gezielt und ortsgenau abzugeben. Das Ziel dieser Arbeit war die Analyse zellulärer Prozesse, wie z. B. Zell-Zell-Kommunikation oder Signalweiterleitung, zwischen benachbarten Zellen unter Zuhilfenahme der Fluoreszenzmikroskopie. Mit dieser Methode können die Zellen und ihre Bestandteile mittels vorheriger Farbstoffbeladung unter einem Mikroskop mit hohem Kontrast optisch dargestellt werden. Mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie sollten schlussendlich die zellulären Reaktionen innerhalb des Gewebes nach der lokalen Manipulation visualisiert werden.
Zunächst wurde die Anwendung des Systems an Luft und wässriger Umgebung beschrieben. In diesem Zusammenhang wurde eine Reinigungs- und Beladungsmethode entwickelt, mit der es möglich war, die kostspieligen Mikro-/Nanopipetten zu reinigen und anschließend mehrmals wiederzuverwenden. Hierzu wurde eine alternative Methode getestet, mit der das Diffusionsverhalten von Farbstoffmolekülen in unterschiedlichen Medien untersucht werden kann. Des Weiteren wurden die Systemparameter optimiert, welche nötig sind, um zwischen der Probenoberfläche und der Pipette einen guten Pipettenöffnungs-abschluss zu erhalten. Dieser Abschluss ist essentiell, damit die abgegebene Flüssigkeit ausschließlich in der Abgaberegion mit der Probe wechselwirkt und die darauffolgenden Reaktionen nur innerhalb des Gewebes erfolgen, da ansonsten die Zell-Zell-Signalweiterleitung zwischen den Zellen nicht eindeutig nachvollzogen werden kann. Diese interzelluläre Kommunikation wurde anhand zweier sekundärer Botenstoffe (Ca2+ und NO) untersucht. Hierbei war es möglich einzelne lokale Reaktionen zu detektieren, welche sich über weitere Zellen ausbreiteten. Schlussendlich wurde die Fertigung einer speziellen Injektionspipette beschrieben, welche an zwei biologischen Systemen getestet wurde.
N2  - Within this thesis, a novel micromanipulation technique was characterised for the local liquid delivery at the complex salivary glands tissue of the cockroach P. americana and was applied for the associated targeted manipulation of single cells in a cell complex (tissue). This micromanipulation technique is known since 2009 as the fluidic force microscopy (FluidFM) technique. In this case, very small microchanneled AFM tips or rather micro-/nanopipettes with an opening between 300 nm and 2 μm are used to deliver very small volumes in the picoliter to femtoliter range (10-12 L - 10-15 L) targeted and accurate. The aim of this work was the analysis of cellular processes, such as cell-cell communication or signal transduction, between adjacent cells using fluorescence microscopy. Using this method, the cells and their components can be optically visualised by prior dye loading under a microscope with high contrast. Using fluorescence microscopy, the cellular responses within the tissue were finally visualised after local manipulation.
First, the application of the system in air and aqueous environment was described. In this context, a cleaning and loading method was developed which allows the cleaning and the repeated reuse of the expensive micro-/nanopipettes. For this purpose, an alternative method has been tested, with which the diffusion of dye molecules in different media can be examined. Furthermore, the system parameters needed to obtain a good pipette opening sealing between the sample surface and the pipette have been optimised. This sealing is essential to ensure that the delivered liquid interacts only with the sample in the delivery region and that subsequent reactions occur only within the tissue, otherwise cell-cell signaling between the cells can not be clearly understood. This intercellular communication was studied by means of two secondary messengers (Ca2+ and NO). Here it was possible to detect individual local reactions that spread over more cells. Finally, the production of a special injection pipette was described, which was tested on two biological systems.
KW  - Rasterkraftmikroskopie
KW  - Fluoreszenzmikroskopie
KW  - Mikromanipulation
KW  - Zellgewebe
KW  - Diffusion
KW  - atomic force microscopy
KW  - fluorescence microscopy
KW  - micromanipulation
KW  - cellular tissue
KW  - diffusion
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-419806
ER  - 
TY  - THES
A1  - Knigge, Xenia
T1  - Einzelmolekül-Manipulation mittels Nano-Elektroden und Dielektrophorese
T1  - Single molecule manipulation using nano-electrodes and dielectrophoresis
N2  - In dieser Arbeit wurden Nano-Elektroden-Arrays zur Einzel-Objekt-Immobilisierung mittels Dielektrophorese verwendet. Hierbei wurden fluoreszenzmarkierte Nano-Sphären als Modellsystem untersucht und die gewonnenen Ergebnisse auf biologische Proben übertragen. Die Untersuchungen in Kombination mit verschiedenen Elektrodenlayouts führten zu einer deterministischen Vereinzelung der Nano-Sphären ab einem festen Größenverhältnis zwischen Nano-Sphäre und Durchmesser der Elektrodenspitzen. An den Proteinen BSA und R-PE konnte eine dielektrophoretische Immobilisierung ebenfalls demonstriert und R-PE Moleküle zur Vereinzelung gebracht werden. Hierfür war neben einem optimierten Elektrodenlayout, das durch Feldsimulationen den Feldgradienten betreffend gesucht wurde, eine Optimierung der Feldparameter, insbesondere von Spannung und Frequenz, erforderlich.
Neben der Dielektrophorese erfolgten auch Beobachtungen anderer Effekte des elektrischen Feldes, wie z.B. Elektrolyse an Nano-Elektroden und Strömungen über dem Elektroden-Array, hervorgerufen durch Joulesche Wärme und AC-elektroosmotischen Fluss. Zudem konnte Dielektrophorese an Silberpartikeln beobachtet werden und mittels Fluoreszenz-, Atom-Kraft-, Raster-Elektronen-Mikroskopie und energiedispersiver Röntgenspektroskopie untersucht werden. Schließlich wurden die verwendeten Objektive und Kameras auf ihre Lichtempfindlichkeit hin analysiert, so dass die Vereinzelung von Biomolekülen an Nano-Elektroden nachweisbar war.
Festzuhalten bleibt also, dass die Vereinzelung von Nano-Objekten und Biomolekülen an Nano-Elektroden-Arrays gelungen ist. Durch den parallelen Ansatz erlaubt dies, Aussagen über das Verhalten von Einzelmolekülen mit guter Statistik zu treffen.
N2  - In this work, nanoelectrode arrays were used for single object immobilization by dielectrophoresis. Fluorescently labeled nanospheres were used as a model system and the results were transferred to biological samples. The experiments in combination with different electrode layouts led to a deterministic singling of the nanospheres for a fixed size ratio between nanosphere and tipdiameter. Dielectrophoretic immobilization could also be demonstrated for the proteins BSA and R-PE, while R-PE molecules were even immobilized as single objects. For this purpose, in addition to an optimized electrode layout, which was searched by numerical field calculations, an optimization of the field parameters was required, in particular of voltage and frequency.
Besides dielectrophoresis, observations of other effects were made, e.g. electrolysis at nanoelectrodes and fluid flows caused by Joule heating and AC-electroosmotic flow. In addition, dielectrophoresis was observed on silver nanoparticles, which was examined by fluorescence-, atomic force-, scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy. Finally, the objectives and cameras were analyzed for their photosensitivity so that the singling of biomolecules on nanoelectrodes became detectable.
The successful singling of nanoobjects and biomolecules on nanoelectrodes has been shown in a parallel approach so that it is possible to make statements about the behavior of single molecules with good statistics.
KW  - Dielektrophorese
KW  - Einzelmolekül-Biosensor
KW  - parallele Immobilisierung von Biomolekülen
KW  - R-PE
KW  - Polystyrol Nano-Sphären
KW  - Nano-Elektroden
KW  - 3D-Feldsimulationen
KW  - Einzel-Objekt-Nachweis
KW  - Fluoreszenz-Mikroskopie
KW  - REM
KW  - dielectrophoresis
KW  - single-molecule biosensor
KW  - parallel immobilization of biomolecules
KW  - R-PE
KW  - polystyrene nano-spheres
KW  - nano-electrodes
KW  - 3D field calculations
KW  - single-object detection
KW  - fluorescence microscopy
KW  - SEM
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-443137
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Tzoneva, Rumiana
A1  - Stoyanova, Tihomira
A1  - Petrich, Annett
A1  - Popova, Desislava
A1  - Uzunova, Veselina
A1  - Albena, Momchilova
A1  - Chiantia, Salvatore
T1  - Effect of Erufosine on Membrane Lipid Order in Breast Cancer Cell Models
T2  - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - Alkylphospholipids are a novel class of antineoplastic drugs showing remarkable therapeutic potential. Among them, erufosine (EPC3) is a promising drug for the treatment of several types of tumors. While EPC3 is supposed to exert its function by interacting with lipid membranes, the exact molecular mechanisms involved are not known yet. In this work, we applied a combination of several fluorescence microscopy and analytical chemistry approaches (i.e., scanning fluorescence correlation spectroscopy, line-scan fluorescence correlation spectroscopy, generalized polarization imaging, as well as thin layer and gas chromatography) to quantify the effect of EPC3 in biophysical models of the plasma membrane, as well as in cancer cell lines. Our results indicate that EPC3 affects lipid–lipid interactions in cellular membranes by decreasing lipid packing and increasing membrane disorder and fluidity. As a consequence of these alterations in the lateral organization of lipid bilayers, the diffusive dynamics of membrane proteins are also significantly increased. Taken together, these findings suggest that the mechanism of action of EPC3 could be linked to its effects on fundamental biophysical properties of lipid membranes, as well as on lipid metabolism in cancer cells.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1000 
KW  - alkylphospholipids
KW  - fluorescence microscopy
KW  - fluorescence correlation spectroscopy
KW  - lipids
KW  - plasma membrane
KW  - cancer
KW  - lipid–lipid interactions
KW  - membrane microdomains
KW  - membrane biophysics
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-477056
SN  - 1866-8372
IS  - 1000
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Tzoneva, Rumiana
A1  - Stoyanova, Tihomira
A1  - Petrich, Annett
A1  - Popova, Desislava
A1  - Uzunova, Veselina
A1  - Momchilova, Albena
A1  - Chiantia, Salvatore
T1  - Effect of Erufosine on Membrane Lipid Order in Breast Cancer Cell Models
JF  - Biomolecules
N2  - Alkylphospholipids are a novel class of antineoplastic drugs showing remarkable therapeutic potential. Among them, erufosine (EPC3) is a promising drug for the treatment of several types of tumors. While EPC3 is supposed to exert its function by interacting with lipid membranes, the exact molecular mechanisms involved are not known yet. In this work, we applied a combination of several fluorescence microscopy and analytical chemistry approaches (i.e., scanning fluorescence correlation spectroscopy, line-scan fluorescence correlation spectroscopy, generalized polarization imaging, as well as thin layer and gas chromatography) to quantify the effect of EPC3 in biophysical models of the plasma membrane, as well as in cancer cell lines. Our results indicate that EPC3 affects lipid–lipid interactions in cellular membranes by decreasing lipid packing and increasing membrane disorder and fluidity. As a consequence of these alterations in the lateral organization of lipid bilayers, the diffusive dynamics of membrane proteins are also significantly increased. Taken together, these findings suggest that the mechanism of action of EPC3 could be linked to its effects on fundamental biophysical properties of lipid membranes, as well as on lipid metabolism in cancer cells.
KW  - alkylphospholipids
KW  - fluorescence microscopy
KW  - fluorescence correlation spectroscopy
KW  - lipids
KW  - plasma membrane
KW  - cancer
KW  - lipid–lipid interactions
KW  - membrane microdomains
KW  - membrane biophysics
Y1  - 2020
U6  - https://doi.org/10.3390/biom10050802
SN  - 2218-273X
VL  - 10
IS  - 5
PB  - MDPI
CY  - Basel
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Petazzi, Roberto Arturo
A1  - Koikkarah Aji, Amit
A1  - Tischler, Nicole D.
A1  - Chiantia, Salvatore
T1  - Detection of envelope glycoprotein assembly from old world hantaviruses in the Golgi apparatus of living cells
JF  - Journal of virology
N2  - Hantaviruses are emerging pathogens that occasionally cause deadly outbreaks in the human population. While the structure of the viral envelope has been characterized with high precision, protein-protein interactions leading to the formation of new virions in infected cells are not fully understood. We used quantitative fluorescence microscopy (i.e., number and brightness analysis and fluorescence fluctuation spectroscopy) to monitor the interactions that lead to oligomeric spike complex formation in the physiological context of living cells. To this aim, we quantified protein-protein interactions for the glycoproteins Gn and Gc from Puumala and Hantaan orthohantaviruses in several cellular models. The oligomerization of each protein was analyzed in relation to subcellular localization, concentration, and the concentration of its interaction partner. Our results indicate that, when expressed separately, Gn and Gc form, respectively, homo-tetrameric and homo-dimeric complexes, in a concentration-dependent manner. Site-directed mutations or deletion mutants showed the specificity of their homotypic interactions. When both glycoproteins were coexpressed, we observed in the Golgi apparatus clear indication of GnGc interactions and the formation of Gn-Gc multimeric protein complexes of different sizes, while using various labeling schemes to minimize the influence of the fluorescent tags. Such large glycoprotein multimers may be identified as multiple Gn viral spikes interconnected via Gc-Gc contacts. This observation provides the possible first evidence for the initial assembly steps of the viral envelope within this organelle, and does so directly in living cells. <br /> IMPORTANCE In this work, we investigate protein-protein interactions that drive the assembly of the hantavirus envelope. These emerging pathogens have the potential to cause deadly outbreaks in the human population. Therefore, it is important to improve our quantitative understanding of the viral assembly process in infected cells, from a molecular point of view. By applying advanced fluorescence microscopy methods, we monitored the formation of viral spike complexes in different cell types. Our data support a model for hantavirus assembly according to which viral spikes are formed via the clustering of hetero-dimers of the two viral glycoproteins Gn and Gc. Furthermore, the observation of large Gn-Gc hetero-multimers provide the possible first evidence for the initial assembly steps of the viral envelope, directly in the Golgi apparatus of living cells.
KW  - fluorescence fluctuation microscopy
KW  - number and brightness
KW  - virus
KW  - assembly
KW  - fluorescence correlation spectroscopy
KW  - protein-protein
KW  - interaction
KW  - fluorescence microscopy
KW  - fluorescent image analysis
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1128/JVI.01238-20
SN  - 1098-5514
VL  - 95
IS  - 4
PB  - American Society for Microbiology
CY  - Baltimore, Md.
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Puppe, Daniel
A1  - Leue, Martin
A1  - Sommer, Michael
A1  - Schaller, Jörg
A1  - Kaczorek, Danuta
T1  - Auto-fluorescence in phytoliths
BT  - a mechanistic understanding derived from microscopic and spectroscopic analyses
JF  - Frontiers in Environmental Science
N2  - The detection of auto-fluorescence in phytogenic, hydrated amorphous silica depositions (phytoliths) has been found to be a promising approach to verify if phytoliths were burnt or not, especially in archaeological contexts. However, it is unknown so far at what temperature and how auto-fluorescence is induced in phytoliths. We used fluorescence microscopy, scanning electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDX), and Fourier transform infrared spectroscopy to analyze auto-fluorescence in modern phytoliths extracted from plant samples or in intact leaves of winter wheat. Leaves and extracted phytoliths were heated at different temperatures up to 600 degrees C. The aims of our experiments were i) to find out what temperature is needed to induce auto-fluorescence in phytoliths, ii) to detect temperature-dependent changes in the molecular structure of phytoliths related to auto-fluorescence, and iii) to derive a mechanistic understanding of auto-fluorescence in phytoliths. We found organic compounds associated with phytoliths to cause auto-fluorescence in phytoliths treated at temperatures below approx. 400 degrees C. In phytoliths treated at higher temperatures, i.e., 450 and 600 degrees C, phytolith auto-fluorescence was mainly caused by molecular changes of phytolith silica. Based on our results we propose that auto-fluorescence in phytoliths is caused by clusterization-triggered emissions, which are caused by overlapping electron clouds forming non-conventional chromophores. In phytoliths heated at temperatures above about 400 degrees C dihydroxylation and the formation of siloxanes result in oxygen clusters that serve as non-conventional chromophores in fluorescence events. Furthermore, SEM-EDX analyses revealed that extractable phytoliths were dominated by lumen phytoliths (62%) compared to cell wall phytoliths (38%). Our findings might be not only relevant in archaeological phytolith-based examinations, but also for studies on the temperature-dependent release of silicon from phytoliths and the potential of long-term carbon sequestration in phytoliths.
KW  - fluorescence microscopy
KW  - FTIR spectroscopy
KW  - SEM-EDX
KW  - burnt phytoliths;
KW  - carbon sequestration
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.3389/fenvs.2022.915947
SN  - 2296-665X
VL  - 10
PB  - Frontiers Media
CY  - Lausanne
ER  -