Untersuchung von Struktur und Dynamik selbstorganisierter Zellvorgänge

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Speckner, Konstantin:
Untersuchung von Struktur und Dynamik selbstorganisierter Zellvorgänge.
Bayreuth , 2022 . - VI, 204 S.
( Dissertation, 2022 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00006591

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Abstract

Lebenswichtige Vorgänge entwickeln sich häufig dynamisch und in Abstimmung an die Umgebungsverhältnisse. Um den biologischen Abläufen innerhalb der Zelle geeignete Bedingungen zu gewährleisten, verfügen Zellen über zahlreiche Kompartimente mit einer strukturell und biochemisch spezifischen Zusammensetzung. Allerdings sind die überwiegend selbstständig organisierten Zellstrukturen nicht voneinander unabhängig und regulieren sich wechselseitig. Die Untersuchung von Ordnungsprinzipien in lebender Materie erfordert daher nicht nur Mikroskopiemethoden, die hochauflösende Beobachtungen ermöglichen, sondern auch Modellbildungen, um die Komplexität der erfassten Vorgänge reduzieren zu können. In der vorliegenden Arbeit werden selbstorganisierte Strukturbildungsprozesse an Lebendkulturen menschlicher Zellen untersucht. Hierzu werden fluoreszenzmarkierte Zellstrukturen mittels konfokaler Lichtmikroskopie abgebildet und deren orts- wie zeitabhängigen Rückwirkungen unter biochemischer Einflussnahmen quantifiziert. Die Ergebnisse dokumentieren eine gitterartige Anordnung der Austrittsstellen des endoplasmatischen Retikulums. Deren Eigenschaften werden entscheidend von der Beschaffenheit des endoplasmatischen Retikulums bestimmt und können mit einem diffusionsbestimmten Entmischungsprozess erklärt werden. Dabei wird eine kontrast- und auflösungsverbesserte Bildgebungsmethode konfokaler Aufnahmen charakterisiert und am tubulären Netzwerk des endoplasmatischen Retikulums angewandt. Außerdem werden die Bewegungen von Aktinfilamenten im Zellkern analysiert. Somit bildet nukleares Aktin dynamische und anpassungsfähige Strukturen, die einer heterogenen Subdiffusion in der viskoelastischen Umgebung des Zellkerns nach dem Modell einer zeitveränderlichen fraktionalen Brownschen Bewegung unterliegen. Zusammen mit den Modellerklärungen vermitteln die Ergebnisse dieser Arbeit neuartige Erkenntnisgewinne über die vielschichtigen Wechselbeziehungen zwischen der Organisation und Dynamik selbstorganisierter Vorgänge innerhalb von Zellen.

Abstract in weiterer Sprache

Vital processes frequently evolve dynamically and in response with their environment. To provide suitable conditions for biological activities occurring in living cells, they consist of compartments with a structurally and biochemically distinct composition. Usually self-organized cell structures do not operate autonomously but rather regulate themselves. Investigating ordering principles in living matter therefore not only requires microscopy methods that allow high spatiotemporal observations, but also modeling approaches to scale down the complexity of the activities recorded. In this thesis, self-organized processes of structure formation in living cultures of human cells are studied. To this end, fluorescently labeled cell structures are imaged by confocal light microscopy and their spatiotemporal response to biochemical perturbations is quantified. The results demonstrate a lattice-like arrangement of endoplasmic reticulum exit sites, which substantially depends on the constitution of endoplasmic reticulum and could be explained by a diffusion-limited demixing process. Also, a technique that allows for contrast- and resolution-enhanced visualization of confocal images is characterized and applied to the tubular network of endoplasmic reticulum. In addition, movements of actin filaments within cell nuclei are analyzed. As a result, nuclear actin forms dynamic and responsive structures that undergo a heterogeneous subdiffusion in the viscoelastic environment of the nucleus, corresponding to a fractional Brownian motion with time-varying diffusion coefficients. Taken together, the results and model explanations of the present thesis provide new insights into the complex interplay between organization and dynamics of self-organized processes within cells.