Dieses Bild zeigt

Mechanosensitive Zelldynamiken

Projektleiter: Dr. Marcel Hörning

Mechanosensitivität

Die Reaktion von Zellen auf mechanische Stimulationen unterliegt starken dynamischen und sensitiven Mechanismen, welche die Funktion und Entwicklung von verschiedensten biologischen Systemen aufrechterhalten. Beispiele sind die Mineralization von Muschelschalen[1], Axonwachstum[2], und Herzkontraktion sowie ihre Morphologie[3, 4]. Die Mechnotransduktion in Zellen abhängig vom Organismus wird durch verschiedene komplexe chemo-mechanische und elektro-mechanische Prozesse reguliert.

Speziell sind wir an den Dynamiken und Mechanismen der Aktin-Kortex Sensorik, der Krafttransmission und Membran- & Cytoskelettproteine in elektromechanische gekoppelten Herzgeweben interessiert, welche die Synchronisation der Gewebekontraktion und der elektrophysiologischen Wellenausbreitung aufrechterhält[3].

Quantitative und Computational Zellbiologie

Die Zusammenführung von Zell- und Systembiologie war einer der Hauptbeweggründe um quantitative Zellbiologie zu etablieren. Dabei wurden multivariante Messungen, Korrellationsanalysen und kausale Rückschlüsse genutzt um funktional molekulare Zusammenhänge von Zelldynamiken skalenübergreifend zu verstehen[5]. Der Erfolg dieser Herangehensweise führte über Jahre zu einen unabhängigen und interdisziplinären Forschungsfeld, wo Mathematik und numerische Methoden benutzt wurden um das Verständnis von verschiedensten biologischen Dynamiken zu verstehen. Typische Beispiele sind die Struckturanalyse von mechanosensitiver Zellreaktion[6] und die multidimensionale Quantifizierung und Visualizierung von Zell- und Gewebedynamiken[7,8].

Wir sind an der Entwicklung von neuen numerischen und analytischen Methoden interessiert, welche morphologische und funktionelle Dynamiken von biologischen Systemen skalenübergreifend extrahieren und quantifizieren können. Dabei integrieren wir verschiedenste Methoden aus der Biologie, Physik und Computerwissenschaften. Ein spezielles Beispiel ist die Vizualisierung von Proteindynamiken an einzelen Dictyosteliumzellen (siehe die Rotgrüne Zelle oben).

Referenzen

[1] V. Schönitzer, N. Eichner, H. Clausen-Schaumann and I. Weiss, Biochem. and Biophys. R. Comm. 415, 586, 2011
[2] D.E. Koser, et al., Nat. Neurosc. 19, 1592-1598, 2016
[3] M. Hörning, et al., Biophys. J. 102, 379-387, 2012
[4] M. Hörning and E. Entcheva, Book Chapter, Springer, 217, 237-258, 2015
[5] P. Liberali and L. Pelkmans, Nat. Cell Biol. 14, 1233, 2012
[6] M. Hörning, M. Nakahata, et al. Sci. Rep., 7, 7660, 2017
[7] M. Hörning, F. Blanchard, A. Isomura and Y. Yoshikawa, Sci. Rep. 7, 7757, 2017
[8] M. Hörning and T. Shibata, Biophys. J. 116, 2, 372-382, 2019