German Title: Größenordnungsabhängige Modellierung von Malaria-infizierten roten Blutzellen

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Abstract

Red blood cells (RBCs) are the type of human cells that are most accessible to biophysical multiscale modelling because they feature a regular molecular cell envelope organization and lack internal organelles. Extensive previous research on how their physical properties are shaped by the actin-spectrin network and other molecular constituents provides a good basis to understand the physical consequences of becoming infected by malaria parasites, which use RBCs to hide from the immune system. After invasion, the malaria parasite rebuilds the RBC-envelope, relying on the self-assembly of parasite proteins released into the cytoplasm. Optical tweezer experiments have shown that infected RBCs (iRBCs) become stiffer. Here, the underlying mechanisms are investigated by quantitative analysis of the flickering spectrum of iRBCs. Extending the membrane Hamiltonian by anchoring points, we find that the parasite stiffens the membrane mostly by introducing more connections between the lipid bilayer and the underlying cytoskeleton. To identify the exact points of attack in the RBC-cytoskeleton, a reaction-diffusion model is developed to investigate the dynamical equilibrium of the RBC-cytoskeleton, allowing us to simulate different scenarios of parasite protein self-assembly and to compare these results with experimental data. The parasite induces protrusions to make the iRBC adhesive, thus increasing residence time in the vasculature and avoiding clearance by the spleen. The number of new transmembrane receptors incorporated into the cell membrane is estimated by quantitative analysis of fluorescence and electron microscopy data. We develop a finite element model aiming to predict the effect of these changes on the movement of iRBCs in hydrodynamic flow. Finally, as an instructive contrast to RBC-mechanics, we investigate the spreading of tissue cells onto micropatterned substrates leading to a complete change in their actin cytoskeleton. A Cellular Potts Model is used to describe this highly dynamic situation. We find that due to its focus on geometrical aspects, it predicts reliably how a family of actin stress fibres is formed, which serves as memory of the spreading process.

Translation of abstract (German)

Die rote Blutzelle ist die am besten geeignete Zelle für die biophysikalische Modellierung, da sie eine gleichmäßige molekulare Membranstruktur besitzt und keine internen Organellen vorhanden sind. Basierend auf vorherigen Forschungsergebnissen über die Einflüsse des Aktin-Spektrin-Netzwerkes und anderer molekularer Bestandteile auf die Eigenschaften der Membran kann das Verständnis der durch die Malaria-Infektion herforgerufenen Veränderungen erweitert werden. Nach der Invasion der roten Blutzelle baut der Malaria-Parasit die Membran der roten Blutzelle um, indem er Proteinkomplexe assemblieren lässt, die aus zuvor ins Zytoplasma exportierten Proteinen bestehen. Experimente mit optischen Fallen haben gezeigt, dass die rote Blutzelle durch den Malaria-Parasiten steifer wird. In dieser Arbeit werden die zugrundeliegenden Mechanismen mithilfe der quantitativen Analyse des Undulationssprektrums untersucht. Durch die Ergänzung der Membran-Hamiltonian durch Ankerpunkte wird herausgefunden, dass der Parasit die Membran verhärtet, indem er mehr Ankerpunkte zwischen der Doppellipidschicht und dem Zytoskelett erschafft. Um die genauen Punkte zu finden, die der Parasit angreift, wird ein Reaktions-Diffusions-Modell entwickelt, durch das der dynamische Gleichgewichtszustand des Zytoskeletts modelliert werden kann. Hierdurch können sowohl verschiedene Varianten des Assemblierungsprozesses der Proteinkomplexe modelliert werden, als auch die Resultate mit experimentellen Daten verglichen werden. Der Parasit entwickelt hervorgewölbte Strukturen auf der Oberfläche der roten Blutzelle, um diese haftfähig zu machen und dadurch die Aufenthaltsdauer im Blutfluss zu erhöhen, da er ansonsten in der Milz aussortiert werden würde. Durch die quantitative Analyse von Fluoreszenz- und Elektronenmikroskopieaufnahmen wird die Anzahl der Transmembranrezeptoren pro hervor- gewölbter Struktur bestimmt. Um die Effekte dieses molekularen Umbaus auf die Eigenschaften der roten Blutzelle im hydrodynamischen Fluss zu bestimmen, wird eine Finite-Elemente-Simulation verwendet. Als hilfreicher Kontrast zur Struktur der roten Blutzelle werden schlussendlich Zellen auf mikrostrukturierten Substraten simuliert, in denen das Aktin-Zytoskelett dynamisch umgebaut wird. Dafür wird ein zelluläres Potts-Modell verwendet. Wir folgern, dass das Modell durch die Spezialisierung auf geometrische Aspekte die Organisation der entstehenden Aktinfilamente vorhersagen kann. Die Struktur der Aktinfilamente agiert somit als Gedächtnis des Ausbreitungsprozesses.