Elucidating the emergence of heterogeneous motion in living matter from the micro- to the nanoscale

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Sabri, Adal:
Elucidating the emergence of heterogeneous motion in living matter from the micro- to the nanoscale.
Bayreuth , 2021 . - X, 151 S.
( Dissertation, 2021 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00005406

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Abstract

The emergence of spatiotemporal heterogeneity during anomalous diffusive motion of two distinct biological systems is studied with the aid of single particle tracking (SPT) and statistical motion analysis on different length scales ranging from nanometers to a few 100 micrometers.
In the first part of this thesis, the subdiffusion of quantum dots nanoparticles loaded into the cytoplasm of living mammalian cells was observed under varying conditions. In particular, the particles’ motion was quantified in untreated cells and cells where the integrity of ubiquitous organelles, like the cytoskeleton or the endoplasmic reticulum (ER), was perturbed. For analysis, established estimators, like the mean squared displacement, resulting anomaly exponents and generalized transport coefficients, the velocity autocorrelation function, and newly proposed estimators were used. The latter include the statistics of normalized increments, the local convex hull and the autocorrelation function of fluctuations in squared increments. It was found that all experimental conditions show strong, microtubule-dependent subdiffusion with antipersistent increments and a substantial heterogeneity, albeit to a varying degree. These heterogeneities were hypothesized to come from transient interactions of tracers with the cytoskeleton-shaken endoplasmic reticulum network. An intermittent fractional Brownian motion model with stochastic switching between different mobility states was derived, that was found to be in excellent agreement with the experimental data without the need of diffusing diffusivities, thus providing strong evidence for the validity of the hypothesis.
In the second part, perturbations of the posttranslational protein regulation of tubulin, presumably regarding the structure of the cytoskeletal cortex, and their influence on the active, self-propelled motion of individual kinetoplastids of the genus Tryponosoma Brucei was studied. To this end, two distinct mutant subpopulations were generated using small interfering RNA methods and their respective motion behavior was quantified with SPT methods and a motility assay. Non-induced individuals of either condition did not show significant deviations from the parental strain. However, upon depletion of certain proteins, significant changes in the motion were observed, which were traced back to possible variations in cell stiffness and/or presumably structural abnormalities.

Abstract in weiterer Sprache

In dieser Arbeit wurde das Aufkommen von Heterogenitäten während der anomalen Diffusion zweier biologischer Systeme auf unterschiedlichen Längenskalen mit Hilfe von Single-Particle-Tracking und statistischer Bewegungsanalyse untersucht.
Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die Subdiffusion von im Zytoplasma menschlicher Krebszellen befindlicher Quantenpunkten, welche mithilfe der Bead-Loading-Technik internalisiert wurden, unter diversen Konditionen beobachtet. Zu diesem Zweck wurde zunächst die Bewegung der Nanopartikel in unbehandelten Zellen untersucht. Um mehr über mögliche Wechselwirkungspartner in der Zelle zu erfahren, wurde die Integrität großer Strukturen in der Zelle, wie Bestandteile des Zellskeletts oder das endoplasmatische Retikulum, gestört und auch in diesen Proben die Bewegung der Quantenpunkte untersucht. Zur Quantifizierung der Bewegungsmuster dienten etablierte Größen, wie die mittlere quadratische Verschiebung und, daraus resultierend, die Diffusionsanomalien und generalisierte Transportkoeffizienten, sowie die Autokorrelationsfunktion der Geschwindigkeiten. Um den Ursprung der aufkommenden Heterogenitäten in der diffusiven Bewegung der Quantenpunkte in der Zelle detaillierter ergründen zu können, wurden weitere, neue Maße etabliert. Experimentelle Resultate aller untersuchter Konditionen zeigten eine starke, vom Zustand der Mikrotubuli abhängige Subdiffusion mit antipersistenten Inkrementen und erheblichen Heterogenitäten in den Einzeltrajektorien. Dieses bestimmte Bewegungsmuster wurde auf transiente Wechselwirkungen der Nanopartikel mit dem endoplasmatischen Retikulum (ER) zurückgeführt, welches an sich noch Fluktuationen durch die Dynamik des Zytoskeletts erfährt. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass die Partikel stochastisch zwischen unterschiedlichen Mobilitätszuständen wechseln. Aufgrunddessen wurde ein Modell, welches fraktale Brownsche Bewegung und den stochastischenWechsel zwischen Zuständen niedriger und erhöhter Mobilität beinhaltet, erstellt und die daraus gewonnenen Simulationsdaten wurden mit dem Experiment verglichen. Es wurde gezeigt, dass das entwickelte Modell die experimentellen Beobachtungen vollständig beschreiben kann, ohne dass auf eine Verteilung von Diffusivitäten zurück gegriffen werden muss. Die Übereinstimmung der experimentellen mit den simulierten Daten ließ die Schlussfolgerung zu, dass die Bewegung von Nanopartikeln im Zytoplasma maßgeblich von der Integrität des ERs und des Mikrotubuli-Netzwerkes beeinflusst wird und nicht nur durch Diffusion in gedrängter Umgebung bestimmt ist.
In einem zweiten Projekt wurden die Auswirkungen von Störungen der Genregulation auf die Zytoskeletthülle von Blutstromparasiten untersucht. Unter Zuhilfenahme der smallinterfering-RNA-Methode wurden zwei Unterpopulationen mit gestörter Genregulation generiert und deren Bewegung analysiert. Es wurde beobachtet, dass die Depletion gewisser Proteine die Bewegung und Beweglichkeit der Parasiten stark beeinflusst. Dies ließ Rückschlüsse auf etwaige Veränderungen des Zellskeletts oder des Flagellums zu.