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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bsz:291-scidok-19972
URL: http://scidok.sulb.uni-saarland.de/volltexte/2008/1997/


Physical approaches to cytoskeletal self-organization

Physikalische Beschreibungen der Selbstorganisation des Zytoskeletts

Doubrovinski, Konstantin

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SWD-Schlagwörter: Biophysik , Cytologie , Zellskelett
Freie Schlagwörter (Deutsch): Zellbiologie , Zytoskelett
Freie Schlagwörter (Englisch): biological physics , cell biology , cytoskeleton
Institut: Fachrichtung 7.1 - Theoretische Physik
Fakultät: Fakultät 7 - Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät II
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Kruse, Karsten (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 14.11.2008
Erstellungsjahr: 2008
Publikationsdatum: 18.12.2008
Kurzfassung auf Deutsch: Two properties of the living cells distinguish them most profoundly from nonliving entities: the ability to reproduce and the ability to move. To a large extent, these processes rely on the cytoskeleton - an network of filamentous polymers, that in cells is constantly kept out of thermodynamic equilibrium. Three types of biopolymers constitute the cytoskeleton: microtubules, actin filaments and intermediate filaments. The dynamics of the biopolymers can be regulated by a number of proteins, including molecular motors, which are distinguished by their ability to transform chemical energy into mechanical work. This can be exploited to induce stresses in the meshwork and to transport cargoes, such as cellular organelles, along the cytoskeletal filaments. A large body of recent experimental evidence indicates that cytoskeleton accomplishes its various biological tasks through self-organization, i.e. internal organization of a system, arising from simple short-range interactions of many identical system constituents. For example, mixtures of purified microtubules and molecular motors in aqueous solutions have been seen to form asters, reminiscent of certain cellular organelles. Another example comes from experiments where certain motile cells were fragmented into pieces that retained the ability to crawl on a substrate. This indicates that cell locomotion arises through local interactions of cytoskeletal constituents and is unlikely to rely on a single organizing unit.
Mesoscopic mean-field descriptions have been applied to study the cytoskeletal pattern formation. This method has a number of strengths: its wide applicability and generality as well as the ability to straightforwardly account for experimentally determined details of molecule structures and interactions. However, when applying mesoscopic mean-field equations to study the cytoskeleton, one is confronted with the following problems. (a) Equations, describing particles with many degrees of freedom are hard to analyze.(b) As cytoskeletal filaments are spatially extended, equations, describing their dynamics are generically non-local. (c)Dealing with the boundary conditions is not straightforward.
In this thesis we develop mesoscopic mean-field descriptions of the cytoskeleton, introducing novel techniques for dealing with the above-mentioned problems. Firstly, we develop a general formalism that allows to explicitly account for dynamic filament length. Within this formalism, we identify a class of systems that admit exact treatment. Then, we introduce an approximation, consisting of moment-expansion, combined with coarse-graining, that allows to apply our formalism to a broader class of systems. We demonstrate that the results obtained with this approximation agree with those of the exact treatment, provided that cytoskeletal filaments, constituting the pattern, are much shorter than the characteristic scale of the pattern. We apply our methods to describe two biological systems: microtubule organization in fish skin cells and actin wave-dynamics in granulocytes. Finally, we introduce a novel phase-field-like approach for treating interactions of filaments with a boundary. We apply our method to cell locomotion, demonstrating that our equations, describing actin dynamics in granulocytes, exhibit states, reminiscent of those of a motile cell, when combined with moving boundaries.
Kurzfassung auf Deutsch: Zwei Eigenschaften lebender Zellen unterscheiden sie fundamental von unbelebter Materie: die Fähigkeit sich zu reproduzieren und sich zu bewegen. In einem großen Maße beruhen die beiden Prozesse auf dem Zytoskelett - einem intrazellulären Netzwerk fingerförmiger Polymere, welches beständig aus dem thermodynamischen Gleichgewicht getrieben wird. Das Zytoskelett besteht aus drei Arten von Biopolymeren: Mikrotubuli, Aktin-Filamenten und intermediären Filamenten. Die Dynamik dieser Biopolymere kann von einer Vielzahl von Proteinen reguliert werden. Unter diesen befinden sich insbesondere molekulare Motoren, welche chemische Energie in mechanische Arbeit umwandeln können. Diese kann genutzt werden, um im Filamentnetzwerk Spannungen zu erzeugen oder Lasten entlang von Filamenten zu transportieren, zum Beispiel zelluläre Organellen. Eine Vielzahl experimenteller Ergebnisse der letzten Jahre deuten darauf hin, dass in vielen wichtigen zellulären Prozessen die Selbstorganisation von Komponenten des Zytoskeletts eine zentrale Rolle spielt. Bei der Selbstorganisation werden die Strukturen eines Systems durch einfache, kurzreichweitige Wechselwirkungen vieler identischer Konstituenten erzeugt. Zum Beispiel ordnen sich aufgereinigte Mikrotubuli und molekulare Motoren in vitro ähnlich zu zellulären Strukturen sternförmig an. Ein weiteres Beispiel liefern Experimente an Fragmenten motiler Zellen, die die Fähigkeit, sich auf Oberflächen fortzubewegen, beibehalten. Diese Fragmente haben keinen Kern, der als zentrale organisierende Einheit dienen könnte, so dass Zellfortbewegung allein durch lokale Wechselwirkungen von Zytoskelett-Komponenten entstehen kann.
Molekularfeldbeschreibungen der Dynamik auf mesoskopischen Skalen bilden einen vielversprechenden Ansatz, um physikalische Aspekte der Musterbildung im Zytoskelett zu untersuchen. Die Stärken dieses Zugangs liegen in ihrer weit reichenden Anwendbarkeit und der Möglichkeit, experimentell bestimmte Details molekularer Strukturen und Wechselwirkungen in die Beschreibung einzubeziehen. Bei der Analyse der entsprechenden dynamischen Gleichungen treten allerdings einige Probleme auf: a) Die Gleichungen beschreiben Teilchen mit vielen Freiheitsgraden und sind deshalb numerisch praktisch nicht lösbar. b) Da die Filamente des Zytoskeletts räumlich ausgedehnt sind, sind die Gleichungen nicht-lokal. c) Die Behandlung nichtperiodischer Randbedingungen ist nicht offensichtlich.
In der vorliegenden Arbeit entwickeln und analysieren wir mesoskopische Molekularfeldbeschreibungen des Zytoskeletts. Dabei werden neue Techniken eingeführt, welche die Probleme (a), (b) und (c) lösen. Wir entwickeln einen Formalismus, der es erlaubt Systeme aus Filamenten mit veränderlichen Längen zu beschreiben. Wir bestimmen eine Klasse von Systemen, die eine Analyse der exakten Gleichungen erlaubt. Durch Einführung einer Entwicklung nach Momenten zusammen mit einer grobkörnigen Beschreibung machen wir auch Systeme außerhalb dieser Klasse einer Analyse zugänglich. Wir zeigen, dass die Näherung mit der exakten Lösung übereinstimmt, wenn die mittlere Länge der Filamenten viel kleiner ist, als die charakteristische Größe der Muster, die sie bilden. Wir wenden unsere Methode zur Beschreibung der Mikrotubuli-Organisation in Melanophoren von Fischen und der Dynamik von Aktinwellen in Granulozyten an. Schließlich stellen wir eine neue Phasenfeld-Methode vor, um die Wechselwirkung von Filamenten mit Membranen zu beschreiben. Wir wenden diese Methode zur Beschreibung der Zellfortbewegung an und zeigen, dass die Gleichungen, welche die Aktin-Dynamik in Granulozyten beschreiben, Lösungen haben, die stark an kriechende Zellen erinnern.
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