Lehre

Das Material Perlmutt bekommt seine Bruchfestigkeit unter anderem durch die präzise Einlagerung von Chitin-Nanoschichten in das ansonsten brüchige bzw. spröde, nano- und mikro-partikuläre Mineral Aragonit. Der regulative Mechanismus der enzymatischen Chitinsynthese ist bislang nur rudimentär verstanden. Ein komplexes transmembranes Enzym mit Chitinsynthase- und Myosin-Motor-Aktivität spielt eine zentrale Rolle. Eine Kommunikation zwischen gebildetem Material und mechanisch-struktureller Signalwahrnehmung durch die Zellen bzw. das Epithelgewebe könnte somit unmittelbar durch die Material-Synthese-Maschinerie erfolgen. Wir zerlegen den komplexen Prozess in verschiedene Teilschritte, und konnten bereits eine erstaunlich präzise, pH-abhängige Musterbildung auf vorstrukturierten Festkörpern wie z.B. Glimmer durch die rekombinant hergestellte extrazelluläre ArCS1 Domäne ”E22“ der Myosin-Chitinsynthase von Atrina rigida nachweisen.

Die Bedeutung von Enzymen in biologischen Prozessen und Regulationsnetzwerken wird oftmals gerade dann sichtbar, wenn die Enzyme nicht voll funktionsfähig sind. Experimentell läßt sich das in lebenden Systemen und nativen Organismen, die nicht gentechnisch verändert wurden, besonders effizient durch spezifische Hemmstoffe, sogenannte ”small molecule inhibitors“ erforschen. So ergab beispielsweise die Enzymhemmung der Chitinsynthase in den frühen Stadien der Bildung larvaler Muschelschalen mit dem Wirkstoff Nikkomycin Z ein komplexes Phänomen der Schädigung auf unterschiedlichen Längenskalen, angefangen vom Mineralisationsprozess bis hin zur Koordination der Gesamt-Anatomie des Mineralkomposits. Die Palette an verfügbaren Wirkstoffen aus der Naturstoffchemie, oder z.T. auch synthetisch herstellbar, ist sehr umfänglich und bietet vielfältige Ansatzpunkte, die Modifikation von Strukturmaterialien biogenen Ursprungs gezielt biotechnologisch zu erschließen.

Biologische Zellen können nicht nur biochemische Signale wahrnehmen und darauf reagieren, sondern auch auf mechanische Eigenschaften ihrer Umgebung, wie auch auf die Elastizität der extrazellulären matrix (ECM). Das besondere daran ist, dass unterschiedliche Zellen von Natur aus verschiedene Optimierungsmechanismen ausgebildet haben. Wenn zum Beispiel Herzmuskelzellen zu einem Gewebe in einer selbstähnlichen Umgebung wachsen (Elastizität ~12kPA) dann optimieren sich während der Entwicklung die Funktion und Morphology des Herzgewebes. Ähnliche Optimierungsprozesse kann man auch in anderen Muskelzellen beobachten, wie zum Beispiel in C2C12 Zellen.
Die Erforschung der Wahrnehmung und der Regulationsdynamiken von externen mechanischen Eigenschaften an Zellen in vitro basiert auf ECM Modellen, d.h. Hydrogelen. Wobei nicht nur die Elastizität des Hydrogels Einfluss auf die Zeltentwicklung hat, sonder auch dessen Oberflächen-Eigenschaften.
In unserer Arbeitsgruppe sind wir an dynamischen Regulierungsmechanismen von Muskelzellen, deren Wechselwirkung untereinander, und Kontrollstrategien interessiert. Dabei verwenden wir typische Methoden der Zell-Biologie und auch komplexe, numerische Analysemethoden.

In einer von uns kürzlich veröffentlichten Arbeit ["Three-dimensional cell geometry controls excitbable membrane signaling in Dictyostelium cells"] zeigten wir, dass Verteilungen von PIP3 Lipiden auf Dictyostelium Zellen verschiedenste Dynamiken aufweisen können. Dabei wurden die gesamte drei-dimensionale Membrane von den Zellen über die Zeit lokalisiert und quantifiziert. Diese Dynamiken sind zum Beispiel Spiralwellen, stehende Wellen oder auch lokale Oszillationen, ganz ähnlich wie man es in anderen Erregbaren Medien beobachten kann. Trotz der bereits gefundenen faszinierenden Ergebnissen bleiben viele Fragen noch zu beantworten, wie zum Beispiel ist es noch nicht klar wie die Signale auf der Membranen sich zueinander verhalten.
Diese Studie baut auf Bild- und Signalanalyse, sowie Statistik auf.