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 - 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 - Erdmann, Thorsten T1 - Stochastic dynamics of adhesion clusters under force T1 - Stochastische Dynamik von Adhäsionsclustern unter Kraft N2 - Adhesion of biological cells to their environment is mediated by two-dimensional clusters of specific adhesion molecules which are assembled in the plasma membrane of the cells. Due to the activity of the cells or external influences, these adhesion sites are usually subject to physical forces. In recent years, the influence of such forces on the stability of cellular adhesion clusters was increasingly investigated. In particular, experimental methods that were originally designed for the investigation of single bond rupture under force have been applied to investigate the rupture of adhesion clusters. The transition from single to multiple bonds, however, is not trivial and requires theoretical modelling. Rupture of biological adhesion molecules is a thermally activated, stochastic process. In this work, a stochastic model for the rupture and rebinding dynamics of clusters of parallel adhesion molecules under force is presented. In particular, the influence of (i) a constant force as it may be assumed for cellular adhesion clusters is investigated and (ii) the influence of a linearly increasing force as commonly used in experiments is considered. Special attention is paid to the force-mediated cooperativity of parallel adhesion bonds. Finally, the influence of a finite distance between receptors and ligands on the binding dynamics is investigated. Thereby, the distance can be bridged by polymeric linker molecules which tether the ligands to a substrate. N2 - Adhäsionskontakte biologischer Zellen zu ihrer Umgebung werden durch zweidimensionale Cluster von spezifischen Adhäsionsmolekülen in der Plasmamembran der Zellen vermittelt. Aufgrund der Zellaktivität oder äußerer Einflüsse sind diese Kontakte normalerweise Kräften ausgesetzt. Der Einfluss mechanischer Kräfte auf die Stabilität zellulärer Adhäsionscluster wurde in den vergangenen Jahren verstärkt experimentell untersucht. Insbesondere wurden experimentelle Methoden, die zunächst vor allem zur Untersuchung des Reißssverhaltens einzelner Moleküle unter Kraft entwickelt wurden, zur Untersuchung von Adhäsionsclustern verwendet. Die Erweiterung von einzelnen auf viele Moleküle ist jedoch keineswegs trivial und erfordert theoretische Modellierung. Das Reißen biologischer Adhäsionsmoleküle ist ein thermisch aktivierter, stochastischer Prozess. In der vorliegenden Arbeit wird ein stochastisches Modell zur Beschreibung der Reiß- und Rückbindedynamik von Clustern paralleler Adhäsionsmoleküle unter dem Einfluss einer mechanischen Kraft vorgestellt mit dem die Stabilität der Cluster untersucht wird. Im besonderen wird (i) der Einfluss einer konstante Kraft untersucht wie sie in zellulären Adhäsionsclustern angenommen werden kann und (ii) der Einfluss einer linear ansteigenden Kraft betrachtet wie sie gemeinhin in Experimenten angewendet wird. Besonderes Augenmerk liegt hier auf der durch die Kraft vermittelte Kooperativität paralleler Bindungen. Zuletzt wird der Einfluss eines endlichen Abstandes zwischen Rezeptoren und Liganden auf die Dynamik untersucht. Der Abstand kann hierbei durch Polymere, durch die die Liganden an das Substrat gebunden sind, überbrückt werden. KW - Biophysik KW - Stochastischer Prozess KW - Stochastisches dynamisches System KW - Mastergleichung KW - Adhäsionscluster KW - Zelladhäsion KW - dynamische Kraftspektroskopie KW - master equation KW - adhesion cluster KW - cell adhesion KW - dynamic force spectroscopy Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5564 ER -