TY - JOUR A1 - Wolff, Martin A1 - Gast, Klaus A1 - Evers, Andreas A1 - Kurz, Michael A1 - Pfeiffer-Marek, Stefania A1 - Schüler, Anja A1 - Seckler, Robert A1 - Thalhammer, Anja T1 - A Conserved Hydrophobic Moiety and Helix-Helix Interactions Drive the Self-Assembly of the Incretin Analog Exendin-4 JF - Biomolecules N2 - Exendin-4 is a pharmaceutical peptide used in the control of insulin secretion. Structural information on exendin-4 and related peptides especially on the level of quaternary structure is scarce. We present the first published association equilibria of exendin-4 directly measured by static and dynamic light scattering. We show that exendin-4 oligomerization is pH dependent and that these oligomers are of low compactness. We relate our experimental results to a structural hypothesis to describe molecular details of exendin-4 oligomers. Discussion of the validity of this hypothesis is based on NMR, circular dichroism and fluorescence spectroscopy, and light scattering data on exendin-4 and a set of exendin-4 derived peptides. The essential forces driving oligomerization of exendin-4 are helix–helix interactions and interactions of a conserved hydrophobic moiety. Our structural hypothesis suggests that key interactions of exendin-4 monomers in the experimentally supported trimer take place between a defined helical segment and a hydrophobic triangle constituted by the Phe22 residues of the three monomeric subunits. Our data rationalize that Val19 might function as an anchor in the N-terminus of the interacting helix-region and that Trp25 is partially shielded in the oligomer by C-terminal amino acids of the same monomer. Our structural hypothesis suggests that the Trp25 residues do not interact with each other, but with C-terminal Pro residues of their own monomers. KW - biophysics KW - diabetes KW - peptides KW - oligomerization KW - conformational change KW - molecular modeling KW - static and dynamic light scattering KW - spectroscopy Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.3390/biom11091305 SN - 2218-273X VL - 11 IS - 9 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - GEN A1 - Wolff, Martin A1 - Gast, Klaus A1 - Evers, Andreas A1 - Kurz, Michael A1 - Pfeiffer-Marek, Stefania A1 - Schüler, Anja A1 - Seckler, Robert A1 - Thalhammer, Anja T1 - A Conserved Hydrophobic Moiety and Helix-Helix Interactions Drive the Self-Assembly of the Incretin Analog Exendin-4 T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Exendin-4 is a pharmaceutical peptide used in the control of insulin secretion. Structural information on exendin-4 and related peptides especially on the level of quaternary structure is scarce. We present the first published association equilibria of exendin-4 directly measured by static and dynamic light scattering. We show that exendin-4 oligomerization is pH dependent and that these oligomers are of low compactness. We relate our experimental results to a structural hypothesis to describe molecular details of exendin-4 oligomers. Discussion of the validity of this hypothesis is based on NMR, circular dichroism and fluorescence spectroscopy, and light scattering data on exendin-4 and a set of exendin-4 derived peptides. The essential forces driving oligomerization of exendin-4 are helix–helix interactions and interactions of a conserved hydrophobic moiety. Our structural hypothesis suggests that key interactions of exendin-4 monomers in the experimentally supported trimer take place between a defined helical segment and a hydrophobic triangle constituted by the Phe22 residues of the three monomeric subunits. Our data rationalize that Val19 might function as an anchor in the N-terminus of the interacting helix-region and that Trp25 is partially shielded in the oligomer by C-terminal amino acids of the same monomer. Our structural hypothesis suggests that the Trp25 residues do not interact with each other, but with C-terminal Pro residues of their own monomers. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1161 KW - biophysics KW - diabetes KW - peptides KW - oligomerization KW - conformational change KW - molecular modeling KW - static and dynamic light scattering KW - spectroscopy Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-522081 SN - 1866-8372 IS - 9 ER - TY - THES A1 - Lepro, Valentino T1 - Experimental and theoretical study on amoeboid cell-cargo active motion BT - a physical analysis of cell-mediated particle transport N2 - As society paves its way towards device miniaturization and precision medicine, micro-scale actuation and guided transport become increasingly prominent research fields, with high potential impact in both technological and clinical contexts. In order to accomplish directed motion of micron-sized objects, as biosensors and drug-releasing microparticles, towards specific target sites, a promising strategy is the use of living cells as smart biochemically-powered carriers, building the so-called bio-hybrid systems. Inspired by leukocytes, native cells of living organisms efficiently migrating to critical targets as tumor tissue, an emerging concept is to exploit the amoeboid crawling motility of such cells as mean of transport for drug delivery applications. In the research work described in this thesis, I synergistically applied experimental, computational and theoretical modeling approaches to investigate the behaviour and transport mechanism of a novel kind of bio-hybrid system for active transport at the micro-scale, referred to as cellular truck. This system consists of an amoeboid crawling cell, the carrier, attached to a microparticle, the cargo, which may ideally be drug-loaded for specific therapeutic treatments. For the purposes of experimental investigation, I employed the amoeba Dictyostelium discoideum as crawling cellular carrier, being a renowned model organism for leukocyte migration and, in general, for eukaryotic cell motility. The performed experiments revealed a complex recurrent cell-cargo relative motion, together with an intermittent motility of the cellular truck as a whole. The evidence suggests the presence of cargoes on amoeboid cells to act as mechanical stimulus leading cell polarization, thus promoting cell motility and giving rise to the observed intermittent dynamics of the truck. Particularly, bursts in cytoskeletal polarity along the cell-cargo axis have been found to occur in time with a rate dependent on cargo geometrical features, as particle diameter. Overall, the collected experimental evidence pointed out a pivotal role of cell-cargo interactions in the emergent cellular truck motion dynamics. Especially, they can determine the transport capabilities of amoeboid cells, as the cargo size significantly impacts the cytoskeletal activity and repolarization dynamics along the cell-cargo axis, the latter responsible for truck displacement and reorientation. Furthermore, I developed a modeling framework, built upon the experimental evidence on cellular truck behaviour, that connects the relative dynamics and interactions arising at the truck scale with the actual particle transport dynamics. In fact, numerical simulations of the proposed model successfully reproduced the phenomenology of the cell-cargo system, while enabling the prediction of the transport properties of cellular trucks over larger spatial and temporal scales. The theoretical analysis provided a deeper understanding of the role of cell-cargo interaction on mass transport, unveiling in particular how the long-time transport efficiency is governed by the interplay between the persistence time of cell polarity and time scales of the relative dynamics stemming from cell-cargo interaction. Interestingly, the model predicts the existence of an optimal cargo size, enhancing the diffusivity of cellular trucks; this is in line with previous independent experimental data, which appeared rather counterintuitive and had no explanation prior to this study. In conclusion, my research work shed light on the importance of cargo-carrier interactions in the context of crawling cell-mediated particle transport, and provides a prototypical, multifaceted framework for the analysis and modelling of such complex bio-hybrid systems and their perspective optimization. N2 - Im Zuge der fortschreitenden gesellschaftlichen Entwicklung hin zur Miniaturisierung und Präzisionsmedizin, gewinnen Fragen zu Antrieb und zielgerichtetem Transport auf der Mikrometerskala zunehmend an Bedeutung, nicht zuletzt wegen ihres kaum zu unterschätzendem Potentials für Medizin und Technik. Eine vielversprechende Strategie, um den zielgerichteten Transport von Objekten auf der Mikrometerskala, wie zum Beispiel Biosensoren oder mit Medikamenten beladene Mikropartikel, zu bewerkstelligen, ist die Verwendung von lebenden Zellen als intelligenten, biochemisch angetriebenen Transportern. Zellen und Mikroobjekte bilden dabei gemeinsam sogenannte Bio-Hybridsysteme. Inspiriert von Leukozyten - nativen Zellen lebender Organismen, welche sich effizient zu kritischen Zielen, wie Tumorgewebe, bewegen - besteht ein neues Konzept darin, die amöboide Fortbewegung solcher Zellen für den Medikamententransport zu nutzen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit kamen experimentelle, numerische und theoretische Modellierungsansätze zum Einsatz, um die Eigenschaften und Transportmechanismen eines neuen Bio-Hybridsystems für den aktiven Transport von Objekten auf der Mikrometerskala zu untersuchen. Dieses Bio-Hybridsystem wird im Folgenden als Zelltransporter bezeichnet. Ein Zelltransporter besteht aus einer sich amöboid fortbewegenden Zelle, dem Transporter, und einem Mikropartikel, der Fracht, welche idealerweise mit Medikamenten für therapeutische Zwecke beladen sein kann. Für die experimentellen Untersuchungen wurde die Amöbe Dictyostelium discoideum als Transporter verwendet. Sie ist ein bekannter Modellorganismus für die Leukozytenmigration und für die Motilität eukaryotischer Zellen im Allgemeinem. Die durchgeführten Experimente zeigten eine komplexe, periodische Zell-Fracht-Relativbewegung, zusammen mit einer intermittierenden Motilität des gesamten Zelltransporters. Die experimentellen Beobachtungen weisen darauf hin, dass die Anwesenheit der Fracht als mechanischer Stimulus auf die amöboide Zelle wirkt und zur Zellpolarisation führt, was wiederum die Zellmotilität fördert und die intermittierende Dynamik des Zelltransportes begründet. So wurde festgestellt, dass das Auftreten der Polarisation des Zytoskeletts entlang der Zell-Fracht-Achse von den geometrischen Merkmalen der Fracht, wie zum Beispiel des Partikeldurchmessers, abhängt. Insgesamt wiesen die gesammelten experimentellen Daten auf eine zentrale Rolle der Zell-Fracht-Wechselwirkungen in der Bewegungsdynamik von Zelltransportern hin. Insbesondere kann die Zell-Fracht-Wechselwirkung die Transportfähigkeiten von amöboiden Zellen erheblich beeinflussen, da die Größe der Fracht die Aktivität des Zytoskeletts und die Repolarisationsdynamik entlang der Zell-Fracht-Achse modelliert, wobei letzteres für die Verlagerung und Neuorientierung des Zelltransportes verantwortlich ist. Darüber hinaus wurde eine Modellierung entwickelt, welche auf den experimentellen Erkenntnissen zum Verhalten der Zelltransporter aufbaut und die relative Dynamik auf Zelltranporterebene, mit der tatsächlichen Partikeltransportdynamik verbindet. Tatsächlich reproduzierten numerische Simulationen des vorgeschlagenen Modells erfolgreich die Phänomenologie des Zell-Fracht-Systems und ermöglichten gleichzeitig die Vorhersage der Transporteigenschaften von Zelltransportern über größere räumliche und zeitliche Skalen. Des Weiteren liefert die theoretische Analyse ein tieferes Verständnis der Rolle der Zell-Fracht-Wechselwirkung beim Massentransport und zeigte insbesondere, wie die Langzeittransporteffizienz durch das Zusammenspiel von Persistenzzeit der Zellpolarität und den Zeitskalen der relativen Dynamik, welche sich aus der Zell-Fracht-Interaktion ergeben, bestimmt wird. Interessanterweise sagt das Modell die Existenz einer optimalen Frachtgröße voraus, wodurch die Diffusivität von Zelltransportern maximiert wird. Dies steht im Einklang mit früheren, unabhängigen experimentellen Daten, für die es vor dieser Studie keine Erklärung gab. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorliegende Forschungsarbeit Licht auf die Bedeutung von Transporter-Fracht-Wechselwirkungen, beim Partikeltransports mittels amöboider Zellen, wirft und eine breite Grundlage für die Analyse und Modellierung komplexer Bio-Hybridsysteme und deren perspektivische Optimierung schafft. KW - biophysics KW - bio-hybrid system KW - particle transport KW - active transport KW - amoeboid motion KW - Biophysik KW - Bio-Hybridsystem KW - Partikeltransport KW - aktiven Transport KW - amöboide Bewegung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-490890 ER - TY - THES A1 - Landau, Livnat T1 - Mechanical stimulation of in-vitro tissue growth using magnetic beads N2 - Cells and tissues are sensitive to mechanical forces applied to them. In particular, bone forming cells and connective tissues, composed of cells embedded in fibrous extracellular matrix (ECM), are continuously remodeled in response to the loads they bear. The mechanoresponses of cells embedded in tissue include proliferation, differentiation, apoptosis, internal signaling between cells, and formation and resorption of tissue. Experimental in-vitro systems of various designs have demonstrated that forces affect tissue growth, maturation and mineralization. However, the results depended on different parameters such as the type and magnitude of the force applied in each study. Some experiments demonstrated that applied forces increase cell proliferation and inhibit cell maturation rate, while other studies found the opposite effect. When the effect of different magnitudes of forces was compared, some studies showed that higher forces resulted in a cell proliferation increase or differentiation decrease, while other studies observed the opposite trend or no trend at all. In this study, MC3T3-E1 cells, a cell line of pre-osteoblasts (bone forming cells), was used. In this cell line, cell differentiation is known to accelerate after cells stop proliferating, typically at confluency. This makes this cell line an interesting subject for studying the influence of forces on the switch between the proliferation stage of the precursor cell and the differentiation to the mature osteoblasts. A new experimental system was designed to perform systematic investigations of the influence of the type and magnitude of forces on tissue growth. A single well plate contained an array of 80 rectangular pores. Each pore was seeded with MC3T3-E1 cells. The culture medium contained magnetic beads (MBs) of 4.5 μm in diameter that were incorporated into the pre-osteoblast cells. Using an N52 neodymium magnet, forces ranging over three orders of magnitude were applied to MBs incorporated in cells at 10 different distances from the magnet. The amount of formed tissue was assessed after 24 days of culture. The experimental design allowed to obtain data concerning (i) the influence of the type of the force (static, oscillating, no force) on tissue growth; (ii) the influence of the magnitude of force (pN-nN range); (iii) the effect of functionalizing the magnetic beads with the tripeptide Arg-Gly-Asp (RGD). To learn about cell differentiation state, in the final state of the tissue growth experiments, an analysis for the expression of alkaline phosphatase (ALP), a well - known marker of osteoblast differentiation, was performed. The experiments showed that the application of static magnetic forces increased tissue growth compared to control, while oscillating forces resulted in tissue growth reduction. A statistically significant positive correlation was found between the amount of tissue grown and the magnitude of the oscillating magnetic force. A positive but non-significant correlation of the amount of tissue with the magnitude of forces was obtained when static forces were applied. Functionalizing the MBs with RGD peptides and applying oscillating forces resulted in an increase of tissue growth relative to tissues incubated with “plain” epoxy MBs. ALP expression decreased as a function of the magnitude of force both when static and oscillating forces were applied. ALP stain intensity was reduced relative to control when oscillating forces were applied and was not significantly different than control for static forces. The suggested interpretation of the experimental findings is that larger mechanical forces delay cell maturation and keep the pre-osteoblasts in a more proliferative stage characterized by more tissue formed and lower expression of ALP. While the influence of the force magnitude can be well explained by an effect of the force on the switch between proliferation and differentiation, the influence of force type (static or oscillating) is less clear. In particular, it is challenging to reconcile the reduction of tissue formed under oscillating forces as compared to controls with the simultaneous reduction of ALP expression. To better understand this, it may be necessary to refine the staining protocol of the scaffolds and to include the amount and structure of ECM as well as other factors that were not monitored in the experiment and which may influence tissue growth and maturation. The developed experimental system proved well suited for a systematic and efficient study of the mechanoresponsiveness of tissue growth, it allowed a study of the dependence of tissue growth on force magnitude ranging over three orders of magnitude, and a comparison between the effect of static and oscillating forces. Future experiments can explore the multiple parameters that affect tissue growth as a function of the magnitude of the force: by applying different time-dependent forces; by extending the force range studied; or by using different cell lines and manipulating the mechanotransduction in the cells biochemically. KW - mechanobiology KW - magnetism KW - biophysics KW - tissue growth KW - magnetic beads Y1 - 2020 ER - TY - THES A1 - Rodriguez Loureiro, Ignacio T1 - Structural characterization of single and interacting soft interfaces displaying brushes of synthetic or biomolecular polymers T1 - Strukturelle Charakterisierung von einzelnen und interagierenden weichen Grenzflächen mit Bürsten aus synthetischen oder biomolekularen Polymeren N2 - The interaction between surfaces displaying end-grafted hydrophilic polymer brushes plays important roles in biology and in many wet-technological applications. The outer surfaces of Gram-negative bacteria, for example, are composed of lipopolysaccharide (LPS) molecules exposing oligo- and polysaccharides to the aqueous environment. This unique, structurally complex biological interface is of great scientific interest as it mediates the interaction of bacteria with neighboring bacteria in colonies and biofilms. The interaction between polymer-decorated surfaces is generally coupled to the distance-dependent conformation of the polymer chains. Therefore, structural insight into the interacting surfaces is a prerequisite to understand the interaction characteristics as well as the underlying physical mechanisms. This problem has been addressed by theory, but accurate experimental data on polymer conformations under confinement are rare, because obtaining perturbation-free structural insight into buried soft interfaces is inherently difficult. In this thesis, lipid membrane surfaces decorated with hydrophilic polymers of technological and biological relevance are investigated under controlled interaction conditions, i.e., at defined surface separations. For this purpose, dedicated sample architectures and experimental tools are developed. Via ellipsometry and neutron reflectometry pressure-distance curves and distance-dependent polymer conformations in terms of brush compression and reciprocative interpenetration are determined. Additional element-specific structural insight into the end-point distribution of interacting brushes is obtained by standing-wave x-ray fluorescence (SWXF). The methodology is first established for poly[ethylene glycol] (PEG) brushes of defined length and grafting density. For this system, neutron reflectometry revealed pronounced brush interpenetration, which is not captured in common brush theories and therefore motivates rigorous simulation-based treatments. In the second step the same approach is applied to realistic mimics of the outer surfaces of Gram-negative bacteria: monolayers of wild type LPSs extracted from E. Coli O55:B5 displaying strain-specific O-side chains. The neutron reflectometry experiments yield unprecedented structural insight into bacterial interactions, which are of great relevance for the properties of biofilms. N2 - Die Wechselwirkung zwischen Oberflächen mit end-gebundenen hydrophilen Polymerbürsten, spielt eine wichtige Rolle in der Biologie und in vielen nass-technologischen Anwendungen. Die äußeren Oberflächen Gram-negativer Bakterien bestehen beispielsweise aus Lipopolysaccharid (LPS) -Molekülen, welche ihrer wässrigen Umgebung Oligo- und Polysaccharide präsentieren. Diese einzigartige, strukturell komplexe biologische Grenzfläche ist von großem wissenschaftlichen Interesse, da sie die Wechselwirkung zwischen benachbarten Bakterien in Kolonien und Biofilmen vermittelt. Die Wechselwirkung zwischen Polymer-dekorierten Oberflächen ist im Allgemeinen mit der abstandsabhängigen Konformation der Polymerketten gekoppelt. Strukturelle Einblicke in die interagierenden Oberflächen sind daher eine Voraussetzung, um sowohl die Wechselwirkungseigenschaften als auch die zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen zu verstehen. Dieses Problem wurde bereits theoretisch angegangen, aber genaue experimentelle Daten über Polymerkonformationen unter räumlicher Einschränkung liegen kaum vor, da es schwierig ist, störungsfrei strukturelle Einblicke in weiche Grenzflächen innerhalb kondensierter Materie zu erhalten. In dieser Arbeit wurden Lipidmonoschichten, die mit hydrophilen Polymeren von technologischer und biologischer Relevanz versehen sind, unter kontrollierten Wechselwirkungsbedingungen, d. h. bei definierten Oberflächenabständen, untersucht. Zu diesem Zweck wurden spezielle Probenarchitekturen und experimentelle Methoden entwickelt. Mittels Ellipsometrie und Neutronenreflektometrie wurden Druck-Abstand-Kurven und abstandsabhängige Polymerkonformationen im Hinblick auf Bürstenkompression und gegenseitige Durchdringung bestimmt. Zusätzliche, elementspezifische strukturelle Einblicke in die Endpunktverteilung interagierender Polymerbürsten wurden durch Röntgenfluoreszenz unter stehenden Wellen (SWXF) gewonnen. Die entwickelte Methodik wurde zunächst für Poly(ethylenglycol) (PEG) -Bürsten definierter Länge und Bindungsdichte etabliert. Für dieses System zeigte die Neutronenreflektometrie eine ausgeprägte Durchdringung der Bürsten, die in gängigen Bürstentheorien nicht erfasst wird und daher rigorose simulationsbasierte Studien motiviert. Im zweiten Schritt wurde der gleiche Ansatz auf realistische Modelle der äußeren Oberflächen Gram-negativer Bakterien angewandt: Monoschichten von aus E. coli O55 B5 extrahierten Wildtyp-Lipopolysacchariden, welche stammspezifische O-Seitenketten tragen. Die Neutronenreflektometrie-Experimente lieferten nie dagewesene strukturelle Einblicke in die Wechselwirkung von Bakterienoberflächen, Welche für die Eigenschaften von Biofilme von großer Bedeutung sind. KW - polymer physics KW - neutron reflectometry KW - soft matter physics KW - biophysics KW - Polymerphysik KW - Neutronreflektometrie KW - Physik der weichen Materie KW - Biophysik Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-423675 ER - TY - THES A1 - Ehrig, Sebastian T1 - 3D curvature and its role on tissue organization N2 - Shape change is a fundamental process occurring in biological tissues during embryonic development and regeneration of tissues and organs. This process is regulated by cells that are constrained within a complex environment of biochemical and physical cues. The spatial constraint due to geometry has a determining role on tissue mechanics and the spatial distribution of force patterns that, in turn, influences the organization of the tissue structure. An understanding of the underlying principles of tissue organization may have wide consequences for the understanding of healing processes and the development of organs and, as such, is of fundamental interest for the tissue engineering community. This thesis aims to further our understanding of how the collective behaviour of cells is influenced by the 3D geometry of the environment. Previous research studying the role of geometry on tissue growth has mainly focused either on flat surfaces or on substrates where at least one of the principal curvatures is zero. In the present work, tissue growth from MC3T3-E1 pre-osteoblasts was investigated on surfaces of controlled mean curvature. One key aspect of this thesis was the development of substrates of controlled mean curvature and their visualization in 3D. It was demonstrated that substrates of controlled mean curvature suitable for cell culture can be fabricated using liquid polymers and surface tension effects. Using these substrates, it was shown that the mean surface curvature has a strong impact on the rate of tissue growth and on the organization of the tissue structure. It was thereby not only demonstrated that the amount of tissue produced (i.e. growth rates) by the cells depends on the mean curvature of the substrate but also that the tissue surface behaves like a viscous fluid with an equilibrium shape governed by the Laplace-Young-law. It was observed that more tissue was formed on highly concave surfaces compared to flat or convex surfaces. Motivated by these observations, an analytical model was developed, where the rate of tissue growth is a function of the mean curvature, which could successfully describe the growth kinetics. This model was also able to reproduce the growth kinetics of previous experiments where tissues have been cultured in straight-sided prismatic pores. A second part of this thesis focuses on the tissue structure, which influences the mechanical properties of the mature bone tissue. Since the extracellular matrix is produced by the cells, the cell orientation has a strong impact on the direction of the tissue fibres. In addition, it was recently shown that some cell types exhibit collective alignment similar to liquid crystals. Based on this observation, a computational model of self-propelled active particles was developed to explore in an abstract manner how the collective behaviour of cells is influenced by 3D curvature. It was demonstrated that the 3D curvature has a strong impact on the self-organization of active particles and gives, therefore, first insights into the principles of self-organization of cells on curved surfaces. N2 - Formänderung ist ein fundamentaler Vorgang während der embryonalen Entwicklung und der Regeneration von Geweben und Organen. Dieser Prozess wird von Zellen reguliert die in einer komplexen Umgebung von biochemischen und physikalischen Signalen eingebettet sind. Die räumliche Begrenzung der Zellen führt dabei zu Unterschieden in der Gewebemechanik und der räumlichen Verteilung von Kräften und hat damit einen Einfluss auf die Organisation der Gewebestruktur. Ein Verständnis der Organisationsprozesse von Geweben hat weitreichende Konsequenzen im Hinblick auf das Verständnis von Heilungsprozessen und der Entwicklung von Organen bis hin zu medizinischen Anwendungen wie der Entwicklung von Implantaten. Die vorliegende Arbeit zielt auf ein besseres Verständnis wie das kollektive Verhalten von Gewebezellen von der dreidimensionalen Krümmung der Umgebung beeinflusst wird. Die bisherige Forschung war bislang limitiert auf flache Oberflächen oder auf Substrate in denen zumindest eine der beiden Hauptkrümmungen Null ist. In dieser Arbeit wurde daher das Gewebewachstum von MC3T3-E1 Pre-Osteoblasten auf Oberflächen mit konstanter mittlerer Krümmung studiert. Ein wichtiger Teil der Arbeit war die Entwicklung von Substraten mit kontrollierter mittlerer Krümmung und deren Visualisierung in 3D. Es wurde gezeigt, dass sich die Oberflächen- spannung von Polymerlösungen nutzen lässt um eben solche Substrate zu erzeugen. Mit Hilfe dieser Substrate wurde gezeigt, dass die mittlere Krümmung der Oberfläche einen entscheidenden Einfluss auf die Wachstumsrate und die Organisation der Gewebestruktur hat. Es konnte nicht nur gezeigt werden dass die Menge an gebildetem Gewebe von der mittleren Krümmung abhängig ist, sondern auch dass die Oberfläche des Gewebes sich dabei wie eine Flüssigkeit verhält und dem Laplace-Young Gesetz folgt. Es wurde beobachtet dass sich mehr Gewebe auf konkaven als auf flachen oder konvexen Oberflächen gebildet hat. Basierend auf diesen Beobachtungen wurde ein analytisches Modell entwickelt, welches die Wachstumsrate als Funktion der mittleren Krümmung beschreibt und mit Hilfe dessen sich das Gewebewachstum erfolgreich beschreiben lässt. Dieses Modell kann auch die Ergebnisse früherer Arbeiten reproduzieren, in denen Gewebe in prismatischen Poren kultiviert wurden. Ein weiterer Teil der Arbeit befasste sich mit der Struktur des Gewebes, welche einen Einfluss auf die späteren mechanischen Eigenschaften des maturierten Knochengewebes hat. Da die extrazelluläre Matrix des Gewebes von den Zellen gebildet wird, hat die Orientierung der Zellen einen entscheidenden Einfluss auf die Ausrichtung der Gewebefasern. Außerdem wurde vor kurzem gezeigt, dass sich manche Zellen wie Flüssigkristalle anordnen können. Basierend auf dieser Beobachtung wurde ein Computermodell aktiver Partikel entwickelt, mit dessen Hilfe sich der Einfluss des kollektiven Verhaltens der Zellen auf dreidimensional gekrümmten Oberflächen abstrahieren lässt. Es konnte dabei gezeigt werden, dass die dreidimensionale Krümmung einen entscheidenden Einfluss auf die Selbstorganisation dieser Partikel hat und gibt damit erste Einblicke in ein mögliches Organisationsverhalten von Zellen auf 3D Oberflächen. KW - biophysics KW - tissue engineering KW - mechanobiology Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Dunlop, John William Chapman T1 - The physics of shape changes in biology T1 - Die Physik von Formveränderungen in der Biologie N2 - Biological materials, in addition to having remarkable physical properties, can also change shape and volume. These shape and volume changes allow organisms to form new tissue during growth and morphogenesis, as well as to repair and remodel old tissues. In addition shape or volume changes in an existing tissue can lead to useful motion or force generation (actuation) that may even still function in the dead organism, such as in the well known example of the hygroscopic opening or closing behaviour of the pine cone. Both growth and actuation of tissues are mediated, in addition to biochemical factors, by the physical constraints of the surrounding environment and the architecture of the underlying tissue. This habilitation thesis describes biophysical studies carried out over the past years on growth and swelling mediated shape changes in biological systems. These studies use a combination of theoretical and experimental tools to attempt to elucidate the physical mechanisms governing geometry controlled tissue growth and geometry constrained tissue swelling. It is hoped that in addition to helping understand fundamental processes of growth and morphogenesis, ideas stemming from such studies can also be used to design new materials for medicine and robotics. N2 - Biologische Materialien verfügen nicht nur über außergewöhnliche physikalische Eigenschaften, sie können auch ihre Form und ihr Volumen verändern. Ermöglicht werden diese Anpassungen während der Morphogenese und des Wachstums sowohl durch die Bildung neuer Gewebe, als auch die Umformung und/oder Reparatur alter Gewebe. Zusätzlich führen Form? oder Volumenänderungen in Geweben häufig zur Generierung von Kräften (Aktuation) und daraus resultierenden Bewegungen. Ein bekanntes Beispiel dafür ist der feuchtigkeitsgetriebene Öffnungs? und Schließmechanismus der Schuppen von Kiefernzapfen, die ausschließlich aus totem Gewebe ohne aktiven Metabolismus bestehen. Bestimmend für Wachstum und Aktuation sind dabei nicht nur biochemische Faktoren sondern auch physikalische Randbedingung definiert durch die Umgebung und die Gewebearchitektur. Die vorliegende Habilitationsschrift basiert auf biophysikalischen Arbeiten der Gruppe „Biomimetic Actuation and Tissue Growth“ zu wachstums? und quellungsbedingten Formänderungen biologischer Systeme. Physikalische Mechanismen von Gewebewachstum und Quellprozessen unter dem kontrollierenden Einfluss von geometrischen Randbedingungen werden mit theoretischen und experimentellen Methoden untersucht und erklärt. Die gewonnenen Ergebnisse tragen nicht nur zum Verständnis grundlegender Wachstums? und Morphogeneseprozesse bei, sie könnten zukünftig auch für die Entwicklung neuer Materialien für die Medizin und Robotik von Nutzen sein. KW - tissue growth KW - actuation KW - swelling KW - biomechanics KW - biophysics KW - Biomechanik KW - Aktuation KW - Gewebewachstum KW - Biophysik KW - Morphogenese Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-96554 ER - TY - THES A1 - Mauri, Marco T1 - A model for sigma factor competition in bacterial cells N2 - Bacteria respond to changing environmental conditions by switching the global pattern of expressed genes. In response to specific environmental stresses the cell activates several stress-specific molecules such as sigma factors. They reversibly bind the RNA polymerase to form the so-called holoenzyme and direct it towards the appropriate stress response genes. In exponentially growing E. coli cells, the majority of the transcriptional activity is carried out by the housekeeping sigma factor, while stress responses are often under the control of alternative sigma factors. Different sigma factors compete for binding to a limited pool of RNA polymerase (RNAP) core enzymes, providing a mechanism for cross talk between genes or gene classes via the sharing of expression machinery. To quantitatively analyze the contribution of sigma factor competition to global changes in gene expression, we develop a thermodynamic model that describes binding between sigma factors and core RNAP at equilibrium, transcription, non-specific binding to DNA and the modulation of the availability of the molecular components. Association of housekeeping sigma factor to RNAP is generally favored by its abundance and higher binding affinity to the core. In order to promote transcription by alternative sigma subunits, the bacterial cell modulates the transcriptional efficiency in a reversible manner through several strategies such as anti-sigma factors, 6S RNA and generally any kind of transcriptional regulators (e.g. activators or inhibitors). By shifting the outcome of sigma factor competition for the core, these modulators bias the transcriptional program of the cell. The model is validated by comparison with in vitro competition experiments, with which excellent agreement is found. We observe that transcription is affected via the modulation of the concentrations of the different types of holoenzymes, so saturated promoters are only weakly affected by sigma factor competition. However, in case of overlapping promoters or promoters recognized by two types of sigma factors, we find that even saturated promoters are strongly affected. Active transcription effectively lowers the affinity between the sigma factor driving it and the core RNAP, resulting in complex cross talk effects and raising the question of how their in vitro measure is relevant in the cell. We also estimate that sigma factor competition is not strongly affected by non-specific binding of core RNAPs, sigma factors, and holoenzymes to DNA. Finally, we analyze the role of increased core RNAP availability upon the shut-down of ribosomal RNA transcription during stringent response. We find that passive up-regulation of alternative sigma-dependent transcription is not only possible, but also displays hypersensitivity based on the sigma factor competition. Our theoretical analysis thus provides support for a significant role of passive control during that global switch of the gene expression program and gives new insights into RNAP partitioning in the cell. N2 - Bakterien reagieren auf Aenderungen in ihren Umgebungsbedingungen indem sie global das Genexpressionsprogramm umschalten. Die Zelle aktiviert, als spezifische Reaktion auf Stressbedingungen, mehrere charakteristische Molekuele wie zum Beispiel die Sigmafaktoren. Diese binden reversibel an die RNA Polymerase (RNAP), mit der sie einen Komplex bilden das sogenannte Holoenzym und steuern sie als Reaktion auf den Stress zu den entsprechenden Genen. In exponentiell wachsenden E. Coli Zellen wird das Meiste der Transkription von einem sogenannten Haushaltssigmafaktor organisiert. Wohingegen Stressreaktionen haeufig von alternativen Sigmafaktoren kontrolliert werden. Die verschiedenen Sigmafaktoren konkurrieren um einen begrenzten Pool von RNAP Coreenzymen, womit die Expression einzelner Gene oder Genklassen beeinflusst wird, da sie sich die Maschienerie teilen. Um den Beitrag der Sigmafaktorkonkurrenz an der gesamten Veraenderung der Genexpression quantitativ zu analysieren, haben wir ein theoretisches Modell entwickelt, welches das Binden von Sigmafaktoren mit RNAP Coreenzymen im gleichgewicht, die Transkription, das nichtspezifische Binden an die DNA sowie die Modulation verfuegbarer molekularer Komponenten beschreibt. Normalerweise wird die Assoziation des Haushaltssigmafaktors mit dem RNAP Coreenzym beguenstigt durch dessen grosse Anzahl und die hohe Bindungsaffinitaet. Daher nutzen bakterielle Zellen verschiedene, reversibele Strategien um die Transkription durch alternative Holoenzyme zu foerdern. Dazu gehoeren Anti-Sigmafaktoren, 6S RNA und generell beliebige Transkriptionsregulatoren (z.B.: Aktivatoren oder Repressoren). Sie beeinflussen das Transkriptionsprogramm der Zelle indem sie das Resultat der Sigmafaktorkonkurrenz um die RNAP Coreenzyme zugunsten eines der Sigmafaktoren verschieben. Das Modell kann validiert werden durch Vergleiche mit in vitro Konkurrenzexperimenten, die exzellente uebereinstimmung zeigen. Wir koennen feststellen, dass die Transkription durch Konzentrationsaenderungen der verschiedenen Holoenzyme beeinflusst wird, daher ist der Effekt der Sigmafaktorkonkurrenz klein bei saturierten Promotoren. Was sich jedoch aendert bei sich ueberlappenden Promotoren oder Promotoren, die von zwei verschiedenen Sigmafaktoren erkannt werden. In diesen Faellen sehen wir einen grossen Effekt. Transkription fuehrt zu effektiv abgesekten Affinitaet zwischen den zugehoerigen Sigmafaktoren und den RNAP Coreenzymen, was zu komplizierten Verhalten fuehrt und die Frage aufwirft, inwieweit in vitro gemessenen Effekte in der Zelle wiederzufinden sind. Wir koennen den Einfluss nichtspezifischen Bindens der RNAPs, der Sigmafaktoren und der Holoenzyme an die DNA abschaetzen. Als letztes analysieren wir die Konkurrenz waehrend der "Stringent Response". Hierbei wird die Transkription der ribosomalen RNA unterbrochen was die Anzahl der freien RNAP Coreenzyme stark erhoeht. Wir sehen, dass das passive Hochregeln des alternativen sigmafaktorabhaengigen Transkriptionsprogramms durch Sigmafaktorkokurrenz moeglich und sogar hypersensitiv ist. Unsere theoretische Analyse zeigt, dass die passive Kontrolle in diesem Fall eine signifikante Rolle im globalen umschalten des Transkriptionsprogramms spielt und liefert neue Erkenntnisse zur RNAP Partitionierung in der Zelle. T2 - Ein Modell für die Konkurrenz zwischen Sigmafaktoren in Bakterienzellen KW - biophysics KW - systems biology KW - gene regulation KW - stress response KW - Biophysik KW - Systembiologie KW - Genregulation KW - Stressantwort Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-72098 ER - TY - THES A1 - Dreyer, Ingo T1 - Biophysikalische und molekulare Grundlagen der Regulation des Kaliumtransports in Pflanzen T1 - Biophysical and molecular bases of the regulation of potassium transport in plants N2 - Kaliumionen (K+) sind die am häufigsten vorkommenden anorganischen Kationen in Pflanzen. Gemessen am Trockengewicht kann ihr Anteil bis zu 10% ausmachen. Kaliumionen übernehmen wichtige Funktionen in verschiedenen Prozessen in der Pflanze. So sind sie z.B. essentiell für das Wachstum und für den Stoffwechsel. Viele wichtige Enzyme arbeiten optimal bei einer K+ Konzentration im Bereich von 100 mM. Aus diesem Grund halten Pflanzenzellen in ihren Kompartimenten, die am Stoffwechsel beteiligt sind, eine kontrollierte Kaliumkonzentration von etwa 100 mM aufrecht. Die Aufnahme von Kaliumionen aus dem Erdreich und deren Transport innerhalb der Pflanze und innerhalb einer Pflanzenzelle wird durch verschiedene Kaliumtransportproteine ermöglicht. Die Aufrechterhaltung einer stabilen K+ Konzentration ist jedoch nur möglich, wenn die Aktivität dieser Transportproteine einer strikten Kontrolle unterliegt. Die Prozesse, die die Transportproteine regulieren, sind bis heute nur ansatzweise verstanden. Detailliertere Kenntnisse auf diesem Gebiet sind aber von zentraler Bedeutung für das Verständnis der Integration der Transportproteine in das komplexe System des pflanzlichen Organismus. In dieser Habilitationsschrift werden eigene Publikationen zusammenfassend dargestellt, in denen die Untersuchungen verschiedener Regulationsmechanismen pflanzlicher Kaliumkanäle beschrieben werden. Diese Untersuchungen umfassen ein Spektrum aus verschiedenen proteinbiochemischen, biophysikalischen und pflanzenphysiologischen Analysen. Um die Regulationsmechanismen grundlegend zu verstehen, werden zum einen ihre strukturellen und molekularen Besonderheiten untersucht. Zum anderen werden die biophysikalischen und reaktionskinetischen Zusammenhänge der Regulationsmechanismen analysiert. Die gewonnenen Erkenntnisse erlauben eine neue, detailliertere Interpretation der physiologischen Rolle der Kaliumtransportproteine in der Pflanze. N2 - Potassium ions (K+) are the most abundant anorganic cations in plants. They can constitute up to 10% of the plant dry weight. Potassium ions play important roles in different processes in the plant. For example, they are essential for growth and for metabolism. Many important enzymes work optimally at a K+ concentration within the range of about 100 mM. Therefore, plant cells maintain a controlled potassium concentration of approximately 100 mM in their compartments, which are involved in metabolism. The uptake of potassium ions from the soil and their transport within the plant and within a plant cell is accomplished by different potassium transporter proteins. However, the maintenance of a stable K+ concentration is only possible if the activity of these transporter proteins is subject to strict control. Up today the processes regulating the transporter proteins are only rudimentarily understood. More detailed knowledge in this area is, however, of central importance for the understanding of the integration of the transporter proteins into the complex system of the plant organism. This Habilitation-thesis summarizes own publications, in which the investigations of different regulation mechanisms of plant potassium channels are described. These investigations cover a spectrum of different protein-biochemical, biophysical and plant-physiological analyses. In order to understand the regulation mechanisms, on the one hand their structural and molecular characteristics are examined. On the other hand the biophysical and reaction-kinetic properties of the regulation mechanisms are analyzed. The obtained insights allow a new, more detailed view on the physiological role of potassium transporter proteins in the plant. KW - Kaliumion KW - Ionenkanal KW - Elektrophysiologie KW - Biophysik KW - Schmalwand KW - potassium ions KW - ion channel KW - electrophysiology KW - biophysics KW - Arabidopsis Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7708 ER - TY - THES A1 - Schwarz, Ulrich Sebastian T1 - Forces and elasticity in cell adhesion T1 - - N2 - Das Verhalten adhärenter Zellen hängt stark von den chemischen, topographischen und mechanischen Eigenschaften ihrer Umgebung ab. Experimentelle Untersuchungen der letzten Jahre haben gezeigt, dass adhärente Zellen aktiv die elastischen Eigenschaften ihrer Umgebung erkunden, indem sie an dieser ziehen. Der resultierende Kraftaufbau hängt von den elastischen Eigenschaften der Umgebung ab und wird an den Adhäsionskontakten in entsprechende biochemische Signale umgewandelt, die zelluläre Programme wie Wachstum, Differenzierung, programmierten Zelltod und Zellbewegung mitbestimmen. Im Allgemeinen sind Kräfte wichtige Einflussgrößen in biologischen Systemen. Weitere Beispiele dafür sind Hör- und Tastsinn, Wundheilung sowie die rollende Adhäsion von weißen Blutkörperchen auf den Wänden der Blutgefäße. In der Habilitationsschrift von Ulrich Schwarz werden mehrere theoretische Projekte vorgestellt, die die Rolle von Kräften und Elastizität in der Zelladhäsion untersuchen. (1) Es wurde eine neue Methode entwickelt, um die Kräfte auszurechnen, die Zellen an den Kontaktpunkten auf mikro-strukturierte elastische Substrate ausüben. Das Hauptergebnis ist, dass Zell-Matrix-Kontakte als Mechanosensoren funktionieren, an denen interne Kräfte in Proteinaggregation umgewandelt werden. (2) Eine Ein-Schritt-Master-Gleichung, die die stochastische Dynamik von Adhäsionsclustern als Funktion von Clustergröße, Rückbindungsrate und Kraft beschreibt, wurde sowohl analytisch als auch numerisch gelöst. Zudem wurde dieses Modell auf Zell-Matrix-Kontakte, dynamische Kraftspektroskopie sowie die rollende Adhäsion angewandt. (3) Im Rahmen der linearen Elastizitätstheorie und mit Hilfe des Konzepts der Kraftdipole wurde ein Modell formuliert und gelöst, das die Positionierung und Orientierung von Zellen in weicher Umgebung vorhersagt. Diese Vorhersagen sind in guter Übereinstimmung mit zahlreichen experimentellen Beobachtungen für Fibroblasten auf elastischen Substraten und in Kollagen-Gelen. N2 - The behaviour of an adhering cell is strongly influenced by the chemical, topographical and mechanical properties of the surface it attaches to. During recent years, it has been found experimentally that adhering cells actively sense the elastic properties of their environment by pulling on it through numerous sites of adhesion. The resulting build-up of force at sites of adhesion depends on the elastic properties of the environment and is converted into corresponding biochemical signals, which can trigger cellular programmes like growth, differentiation, apoptosis, and migration. In general, force is an important regulator of biological systems, for example in hearing and touch, in wound healing, and in rolling adhesion of leukocytes on vessel walls. In the habilitation thesis by Ulrich Schwarz, several theoretical projects are presented which address the role of forces and elasticity in cell adhesion. (1) A new method has been developed for calculating cellular forces exerted at sites of focal adhesion on micro-patterned elastic substrates. The main result is that cell-matrix contacts function as mechanosensors, converting internal force into protein aggregation. (2) A one-step master equation for the stochastic dynamics of adhesion clusters as a function of cluster size, rebinding rate and force has been solved both analytically and numerically. Moreover this model has been applied to the regulation of cell-matrix contacts, to dynamic force spectroscopy, and to rolling adhesion. (3) Using linear elasticity theory and the concept of force dipoles, a model has been introduced and solved which predicts the positioning and orientation of mechanically active cells in soft material, in good agreement with experimental observations for fibroblasts on elastic substrates and in collagen gels. T2 - Forces and elasticity in cell adhesion KW - Biophysik KW - Zelladhäsion KW - elastische Substrate KW - Elastizitätstheorie KW - Kraftdipole KW - stochastische Dynamik KW - Master-Gleichungen KW - rollende Adhäsion KW - dyna KW - biophysics KW - cell adhesion KW - elastic substrates KW - elasticity theory KW - force dipoles KW - stochastic dynamics KW - master equations KW - rolling adhesion KW - dynamic forc Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001343 ER -