English Title: Force sensors in the nanonewton range: biofunctionalized pillars of polyethylenglycol as a method to investigate fusing mitotic spindles

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Abstract

Die biophysikalische Erforschung von Zellskelettkomponenten verlangt nach speziellen Techniken zur Messung von Kräften im Bereich von Pikonewton bis Milinewton. Bislang fehlte eine zufriedenstellende Methode zur parallelen Messung einer großen Anzahl solcher Kräfte im Sub-Nanonewton-Bereich. Die Verwendung von Feldern aus flexiblen Mikrosäulen (Pillars) würde sich in vielen Experimenten anbieten, scheidet aber meist wegen der limitierten Kraftsensitivität der herstellbaren Polymerpillars aus. In dieser Arbeit wird eine innovative Methode zur Herstellung von Pillarfeldern aus dem Hydrogel Poly-Ethylenglykol (PEG) vorgestellt. Das Elastizitätsmodul des Hydrogels kann durch Variation der Maschenweite in einem vier Größenordnungen umfassenden Bereich eingestellt werden. Dadurch können bei Bedarf sehr flexible Pillars zur Messung von Kräften im Sub-Nanonewtonbereich hergestellt werden. Die Methode erlaubt außerdem eine effektive Biofunktionalisierung der Pillarköpfe bereits im Herstellungsprozess. Ein spezieller Kalibrationsaufbau ermöglicht die Kreuzkalibration der Pillars gegen einen Atomkraftmikroskop-Cantilever mit bekannter Federkonstanten. Dadurch können Pillars mit Federkonstanten von minimal 0,3 nN/μm kalibriert werden, was bei Standardmikroskopen einer Kraftauflösung von 30 pN entspricht. Die Möglichkeiten der PEG-Pillar- echnologie werden durch in-vitro-Assemblierung von Mitosespindeln an den Pillarköpfen demonstriert. Bei geeigneten Versuchsbedingungen fusionieren diese Mitosespindeln und üben Kräfte aufeinander aus. Die wirkenden Kräfte führen zu einer Pillarverbiegung und lassen sich dadurch quantifizieren.

Translation of abstract (English)

The biophysical research of cytoskeleton components requires specialized technologies for the measurement of forces in the piconewton to millinewton range. Until now there has been no satisfactory method for the simultaneous measurement of a large number of such forces in the sub-nanonewton range. The use of fields from flexible micro pillars would seem possible in many experiments, but generally proves impracticable due to the limited sensitivity to forces of the polymer pillars produced. In this work an innovative method for the production of pillar fields from polyethylene glycol hydrogel (PEG) is introduced. By varying the mesh size, the elasticity module of this hydrogel can be adjusted by up to an order of magnitude of four. In this way very flexible pillars for the measurement of forces in the sub-nanonewton range can be produced. The method also allows for effective biofunctionalization of the pillar heads in the production process itself. A special calibration structure allows for cross calibration of the pillars with an atomic force microscope cantilever with a known spring constant. In this way pillars with spring constants down to 0.3 nN/μm can be calibrated, which corresponds to a force resolution of 30 pikonewton with standard microscopes. The potential of PEG pillar technology is demonstrated by means of in-vitro assembly of mitotic spindle structures on the pillar heads. Under suitable experimental conditions these spindles fuse and exert forces on one another. The effective forces lead to a pillar deflection and can in this way be quantified.