TY - THES A1 - Goktas, Melis T1 - Coiled coils as molecular force sensors for the extracellular matrix T1 - Coiled coils als molekulare Kraftsensoren für die extrazelluläre Matrix N2 - Kraft spielt eine fundamentale Rolle bei der Regulation von biologischen Prozessen. Zellen messen mechanische Eigenschaften der extrazellulären Matrix und benutzen diese Information zur Regulierung ihrer Funktion. Dazu werden im Zytoskelett Kräfte generiert und auf extrazelluläre Rezeptor-Ligand Wechselwirkungen übertragen. Obwohl der grundlegende Einfluss von mechanischen Signalen für das Zellschicksal eindeutig belegt ist, sind die auf molekularer Ebene wirkenden Kräfte kaum bekannt. Zur Messung dieser Kräfte wurden verschiedene molekulare Kraftsensoren entwickelt, die ein mechanisches Inputsignal aufnehmen und in einen optischen Output (Fluoreszenz) umwandeln. Diese Arbeit etabliert einen neuen Kraftsensor-Baustein, der die mechanischen Eigenschaften der extrazellulären Matrix nachbildet. Dieser Baustein basiert auf natürlichen Matrixproteinen, sogenannten coiled coils (CCs), die α-helikale Strukturen im Zytoskelett und der Matrix formen. Eine Serie an CC-Heterodimeren wurde konzipiert und mittels Einzelmolekül-Kraftspektroskopie und Molekulardynamik-Simulationen charakterisiert. Es wurde gezeigt, dass eine anliegende Scherkraft die Entfaltung der helikalen Struktur induziert. Die mechanische Stabilität (Separation der CC Helices) wird von der CC Länge und der Zuggeschwindigkeit bestimmt. Im Folgenden wurden 2 CCs unterschiedlicher Länge als Kraftsensoren verwendet, um die Adhäsionskräfte von Fibroblasten und Endothelzellen zu untersuchen. Diese Kraftsensoren deuten an, dass diese Zelltypen unterschiedlich starke Kräften generieren und mittels Integrin-Rezeptoren auf einen extrazellulären Liganden (RGD-Peptid) übertragen. Dieses neue CC-basierte Sensordesign ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Betrachtung zellulärer Kraftwahrnehmungsprozesse auf molekularer Ebene, das neue Erkenntnisse über die involvierten Mechanismen und Kräfte an der Zell-Matrix-Schnittstelle ermöglicht. Darüber hinaus wird dieses Sensordesign auch Anwendung bei der Entwicklung mechanisch kontrollierter Biomaterialien finden. Dazu können mechanisch charakterisierte, und mit einem Fluoreszenzreporter versehene, CCs in Hydrogele eingefügt werden. Dies erlaubt die Untersuchung der Zusammenhänge zwischen molekularer und makroskopischer Mechanik und eröffnet neue Möglichkeiten zur Diskriminierung von lokalen und globalen Faktoren, die die zelluläre Antwort auf mechanische Signale bestimmen. N2 - Force plays a fundamental role in the regulation of biological processes. Cells can sense the mechanical properties of the extracellular matrix (ECM) by applying forces and transmitting mechanical signals. They further use mechanical information for regulating a wide range of cellular functions, including adhesion, migration, proliferation, as well as differentiation and apoptosis. Even though it is well understood that mechanical signals play a crucial role in directing cell fate, surprisingly little is known about the range of forces that define cell-ECM interactions at the molecular level. Recently, synthetic molecular force sensor (MFS) designs have been established for measuring the molecular forces acting at the cell-ECM interface. MFSs detect the traction forces generated by cells and convert this mechanical input into an optical readout. They are composed of calibrated mechanoresponsive building blocks and are usually equipped with a fluorescence reporter system. Up to date, many different MFS designs have been introduced and successfully used for measuring forces involved in the adhesion of mammalian cells. These MFSs utilize different molecular building blocks, such as double-stranded deoxyribonucleic acid (dsDNA) molecules, DNA hairpins and synthetic polymers like polyethylene glycol (PEG). These currently available MFS designs lack ECM mimicking properties. In this work, I introduce a new MFS building block for cell biology applications, derived from the natural ECM. It combines mechanical tunability with the ability to mimic the native cellular microenvironment. Inspired by structural ECM proteins with load bearing function, this new MFS design utilizes coiled coil (CC)-forming peptides. CCs are involved in structural and mechanical tasks in the cellular microenvironment and many of the key protein components of the cytoskeleton and the ECM contain CC structures. The well-known folding motif of CC structures, an easy synthesis via solid phase methods and the many roles CCs play in biological processes have inspired studies to use CCs as tunable model systems for protein design and assembly. All these properties make CCs ideal candidates as building blocks for MFSs. In this work, a series of heterodimeric CCs were designed, characterized and further used as molecular building blocks for establishing a novel, next-generation MFS prototype. A mechanistic molecular understanding of their structural response to mechanical load is essential for revealing the sequence-structure-mechanics relationships of CCs. Here, synthetic heterodimeric CCs of different length were loaded in shear geometry and their mechanical response was investigated using a combination of atomic force microscope (AFM)-based single-molecule force spectroscopy (SMFS) and steered molecular dynamics (SMD) simulations. SMFS showed that the rupture forces of short heterodimeric CCs (3-5 heptads) lie in the range of 20-50 pN, depending on CC length, pulling geometry and the applied loading rate (dF/dt). Upon shearing, an initial rise in the force, followed by a force plateau and ultimately strand separation was observed in SMD simulations. A detailed structural analysis revealed that CC response to shear load depends on the loading rate and involves helix uncoiling, uncoiling-assisted sliding in the direction of the applied force and uncoiling-assisted dissociation perpendicular to the force axis. The application potential of these mechanically characterized CCs as building blocks for MFSs has been tested in 2D cell culture applications with the goal of determining the threshold force for cell adhesion. Fully calibrated, 4- to 5-heptad long, CC motifs (CC-A4B4 and CC-A5B5) were used for functionalizing glass surfaces with MFSs. 3T3 fibroblasts and endothelial cells carrying mutations in a signaling pathway linked to cell adhesion and mechanotransduction processes were used as model systems for time-dependent adhesion experiments. A5B5-MFS efficiently supported cell attachment to the functionalized surfaces for both cell types, while A4B4-MFS failed to maintain attachment of 3T3 fibroblasts after the first 2 hours of initial cell adhesion. This difference in cell adhesion behavior demonstrates that the magnitude of cell-ECM forces varies depending on the cell type and further supports the application potential of CCs as mechanoresponsive and tunable molecular building blocks for the development of next-generation protein-based MFSs.This novel CC-based MFS design is expected to provide a powerful new tool for observing cellular mechanosensing processes at the molecular level and to deliver new insights into the mechanisms and forces involved. This MFS design, utilizing mechanically tunable CC building blocks, will not only allow for measuring the molecular forces acting at the cell-ECM interface, but also yield a new platform for the development of mechanically controlled materials for a large number of biological and medical applications. KW - molecular force sensors KW - cell-ECM interactions KW - extracellular matrix (ECM) KW - cellular forces KW - coiled coil KW - single molecule force spectroscopy KW - molekulare Kraftsensoren KW - Zell-Matrix-Wechselwirkung KW - extrazelluläre Matrix KW - zelluläre Kräfte KW - coiled coil KW - Einzelmolekül-Kraftspektroskopie Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427493 ER - TY - THES A1 - Breuer, David T1 - The plant cytoskeleton as a transportation network T1 - Modellierung des pflanzliche Zytoskeletts als Transportnetzwerk N2 - The cytoskeleton is an essential component of living cells. It is composed of different types of protein filaments that form complex, dynamically rearranging, and interconnected networks. The cytoskeleton serves a multitude of cellular functions which further depend on the cell context. In animal cells, the cytoskeleton prominently shapes the cell's mechanical properties and movement. In plant cells, in contrast, the presence of a rigid cell wall as well as their larger sizes highlight the role of the cytoskeleton in long-distance intracellular transport. As it provides the basis for cell growth and biomass production, cytoskeletal transport in plant cells is of direct environmental and economical relevance. However, while knowledge about the molecular details of the cytoskeletal transport is growing rapidly, the organizational principles that shape these processes on a whole-cell level remain elusive. This thesis is devoted to the following question: How does the complex architecture of the plant cytoskeleton relate to its transport functionality? The answer requires a systems level perspective of plant cytoskeletal structure and transport. To this end, I combined state-of-the-art confocal microscopy, quantitative digital image analysis, and mathematically powerful, intuitively accessible graph-theoretical approaches. This thesis summarizes five of my publications that shed light on the plant cytoskeleton as a transportation network: (1) I developed network-based frameworks for accurate, automated quantification of cytoskeletal structures, applicable in, e.g., genetic or chemical screens; (2) I showed that the actin cytoskeleton displays properties of efficient transport networks, hinting at its biological design principles; (3) Using multi-objective optimization, I demonstrated that different plant cell types sustain cytoskeletal networks with cell-type specific and near-optimal organization; (4) By investigating actual transport of organelles through the cell, I showed that properties of the actin cytoskeleton are predictive of organelle flow and provided quantitative evidence for a coordination of transport at a cellular level; (5) I devised a robust, optimization-based method to identify individual cytoskeletal filaments from a given network representation, allowing the investigation of single filament properties in the network context. The developed methods were made publicly available as open-source software tools. Altogether, my findings and proposed frameworks provide quantitative, system-level insights into intracellular transport in living cells. Despite my focus on the plant cytoskeleton, the established combination of experimental and theoretical approaches is readily applicable to different organisms. Despite the necessity of detailed molecular studies, only a complementary, systemic perspective, as presented here, enables both understanding of cytoskeletal function in its evolutionary context as well as its future technological control and utilization. N2 - Das Zytoskelett ist ein notwendiger Bestandteil lebender Zellen. Es besteht aus verschiedenen Arten von Proteinfilamenten, die ihrerseits komplexe, sich dynamisch reorganisierende und miteinander verknüpfte Netzwerke bilden. Das Zytoskelett erfüllt eine Vielzahl von Funktionen in der Zelle. In Tierzellen bestimmt das Aktin-Zytoskelett maßgeblich die mechanischen Zelleigenschaften und die Zellbewegung. In Pflanzenzellen hingegen kommt dem Aktin-Zytoskelett eine besondere Bedeutung in intrazellulären Transportprozessen zu, bedingt insbesondere durch die starre pflanzliche Zellwand sowie die Zellgröße. Als wesentlicher Faktor für Zellwachstum und somit auch die Produktion von Biomasse, ist Zytoskelett-basierter Transport daher von unmittelbarer ökologischer und ökonomischer Bedeutung. Während das Wissen über die molekularen Grundlagen Zytoskelett-basierter Transportprozesse beständig wächst, sind die zugrunde liegenden Prinzipien zellweiter Organisation bisher weitgehend unbekannt. Diese Dissertation widmet sich daher folgender Frage: Wie hängt die komplexe Architektur des pflanzlichen Zytoskeletts mit seiner intrazellulären Transportfunktion zusammen? Eine Antwort auf diese Frage erfordert eine systemische Perspektive auf Zytoskelettstruktur und -transport. Zu diesem Zweck habe ich Mikroskopiedaten mit hoher raumzeitlicher Auflösung sowie Computer-gestützte Bildanalysen und mathematische Ansätzen der Graphen- und Netzwerktheorie kombiniert. Die vorliegende Dissertation umfasst fünf meiner Publikationen, die sich einem systemischen Verständnis des pflanzlichen Zytoskeletts als Transportnetzwerk widmen: (1) Dafür habe ich Bilddaten-basierte Netzwerkmodelle entwickelt, die eine exakte und automatisierte Quantifizierung der Architektur des Zytoskeletts ermöglichen. Diese Quantifizierung kann beispielsweise in genetischen oder chemischen Versuchen genutzt werden und für eine weitere Erforschung der genetischen Grundlagen und möglicher molekularer Interaktionspartner des Zytoskeletts hilfreich sein; (2) Ich habe nachgewiesen, dass das pflanzliche Aktin-Zytoskelett Eigenschaften effizienter Transportnetzwerk aufweist und Hinweise auf seine evolutionären Organisationsprinzipien liefert; (3) Durch die mathematische Optimierung von Transportnetzwerken konnte ich zeigen, dass unterschiedliche Pflanzenzelltypen spezifische und optimierte Organisationsstrukturen des Aktin-Zytoskeletts aufweisen; (4) Durch quantitative Analyse des Transports von Organellen in Pflanzenzellen habe ich nachgewiesen, dass sich Transportmuster ausgehend von der Struktur des Aktin-Zytoskeletts vorhersagen lassen. Dabei spielen sowohl die Organisation des Zytoskeletts auf Zellebene als auch seine Geometrie eine zentrale Rolle. (5) Schließlich habe ich eine robuste, optimierungs-basierte Methode entwickelt, die es erlaubt, individuelle Filamente eines Aktin-Netzwerks zu identifizieren. Dadurch ist es möglich, die Eigenschaften einzelner Zytoskelettfilamente im zellulären Kontext zu untersuchen. Die im Zuge dieser Dissertation entwickelten Methoden wurden frei und quelloffen als Werkzeuge zur Beantwortung verwandter Fragestellung zugänglich gemacht. Insgesamt liefern die hier präsentierten Ergebnisse und entwickelten Methoden quantitative, systemische Einsichten in die Transportfunktion des Zytoskeletts. Die hier etablierte Kombination von experimentellen und theoretischen Ansätzen kann, trotz des Fokusses auf das pflanzliche Zytoskelett, direkt auf andere Organismen angewendet werden. Als Ergänzung molekularer Studien bildet ein systemischer Blickwinkel, wie er hier entwickelt wurde, die Grundlage für ein Verständnis sowohl des evolutionären Kontextes als auch zukünftiger Kontroll- und Nutzungsmöglichkeiten des pflanzlichen Zytoskeletts. KW - systems biology KW - mathematical modeling KW - cytoskeleton KW - plant science KW - graph theory KW - image analysis KW - Systembiologie KW - mathematische Modellierung KW - Zytoskelett KW - Zellbiologie KW - Graphtheorie KW - Bildanalyse Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-93583 ER -