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Abstract

The construction of individual synthetic cells has been developed to achieve processes ranging from recapitulating cell division to mechanosignalling. Taken a step further, another promising implementation of synthetic cell research is the construction of artificial tissues comprising synthetic cells. These artificial tissues have the potential to form a communication network between the synthetic cells to transmit and respond to chemical or mechanical signals. In conjunction with natural tissue, this functioning could support signal transduction and thus aid in creating hybrid systems that will ultimately influence the fundamental understanding of tissue form and functioning. In this thesis, I described the first steps towards building an artificial tissue that consists of giant unilamellar vesicles (GUVs)-based synthetic cells. In the process of charge-mediated GUV production, block copolymer surfactants consisting of PEG and PFPE were used to stabilize water-in-oil droplets that provide the charged scaffold to generate GUVs in the first place. These polymer-based surfactants have a major impact on the overall GUV production yield which is currently recognized as the major technical challenge in the field. Therefore, the first part of my thesis is dedicated to comparing different synthesis routes to achieve surfactants with desired properties. Subsequently, several functional surfactants have been synthesized: 1) a positively charged surfactant that allows electrostatically-mediated GUV formation; 2) a photoliable surfactant, which should enable a light-induced GUV release from water-in-oil droplet templates; and 3) a fluorescent surfactant for labeling the surfactant layer. In the second part of this thesis, I focused on introducing biomimetic interactions between GUVs as well as between GUVs and natural cells. Towards this end, a pH-mediated generation of GUVs with improved release efficiency was explored. These GUVs were biofunctionalized and used for the bottom-up assembly of biomimetic cell adhesion and interaction modules: 1) mimicking epithelial cell interactions through the implementation of adherens junctions between GUVs via E-cadherin proteins; 2) GUV-substrate adhesion through the reconstitution of integrins in the GUVs membrane; and 3) implementation of droplet-based microfluidics for the reconstitution of actin cytoskeleton within GUVs to move towards linking intercellular mechanical signaling and synthetic cell mobility for future applications. Additionally, I showed how adherens junctions and substrate adhesion could be mimicked by DNA-mediated interactions. Finally, a hybrid system consisting of synthetic and natural cells was constructed and analyzed with respect to the interaction between GUVs and HEK cells. Through the use of newly synthesized surfactants, droplet-based microfluidics, and pH-mediated GUV assembly and their efficient biofunctionalization , I was able for the first time to build an extensive network of synthetic cells and hybrid cellular system. This research establishes the foundation for reliable and reproducible production of large numbers of stable populations of GUV-based synthetic cells with pre-determined biomimetic functions and represents a substantial step towards building an artificial tissue. In future, mechanical and biochemical signal transduction can be potentially enabled by transmembrane linkages to the cytoskeleton, leading to the implementation of the advanced bioinspired hybrid cellular systems for biomedical applications.

Translation of abstract (German)

Die Konstruktion einzelner synthetischer Zellen wurde entwickelt, um biologische Prozesse nachzubauen, die von der Zellteilung bis zur Mechanosignaltransduktion reichen. Ein weiterer interessanter Schritt in der Forschung mit synthetischen Zellen ist der Aufbau eines künstlichen Gewebes bestehend aus synthetischen Zellen. Dieses künstliche Gewebe hat das Potenzial, ein Kommunikationsnetz zwischen den synthetischen Zellen zu bilden, um chemische oder mechanische Signale zu übertragen und auf äußere Einflüsse zu reagieren. In Verbindung mit natürlichem Gewebe könnte diese Eigenschaft die Signaltransduktion unterstützen und so zur Schaffung hybrider Systeme beitragen, die letztlich das grundlegende Verständnis von Gewebeform und -funktion verbessern können. In dieser Arbeit habe ich die ersten Schritte zum Aufbau eines künstlichen Gewebes beschrieben, das aus synthetischen Zellen auf der Basis von mikrometergroßen, unilamellaren Vesikeln (engl. giant unilamellar vesicles, GUVs) besteht. Im Prozess der ladungsvermittelten GUV-Produktion wurden Blockcopolymer-Tenside, bestehend aus PEG und PFPE, zur Stabilisierung von Wasser-in-Öl-Tropfen verwendet, die eine geladene Oberfläche zur Erzeugung von GUVs bilden. Diese polymerbasierten Tenside haben dadurch einen großen Einfluss auf die Gesamtausbeute der produzierten GUVs, die derzeit als eine der größten technischen Herausforderungen auf diesem Gebiet gilt. Daher widmet sich der erste Teil meiner Arbeit dem Vergleich verschiedener Synthesewege, um Tenside mit den benötigten Eigenschaften zu erhalten. Anschließend wurden mehrere funktionelle Tenside synthetisiert: 1) ein positiv geladenes Tensid, das eine elektrostatisch vermittelte GUV-Bildung ermöglicht; 2) ein photolabiles Tensid, das eine lichtinduzierte Freisetzung der GUVs aus Wasser-in-Öl-Tröpfenchen zulassen soll; und 3) ein fluoreszierendes Tensid zur direkten Visualisierung der Tensidschicht. Im zweiten Teil dieser Arbeit konzentrierte ich mich auf die Einführung biomimetischer Interaktionen zwischen GUVs sowie zwischen GUVs und natürlichen Zellen. Zu diesem Zweck wurde eine pH-vermittelte Erzeugung von GUVs mit verbesserter Freisetzungseffizienz untersucht. Diese GUVs wurden biofunktionalisiert und für den Bottom-up-Aufbau von biomimetischen Zelladhäsions- und Interaktionsmodulen verwendet: 1) Nachahmung epithelialer Zellinteraktionen durch die Implementierung von Adherens Junctions zwischen GUVs über E-Cadherin-Proteine; 2) GUV-Substrat-Adhäsion durch die Rekonstitution von Integrinen in der GUV-Membran; und 3) Implementierung von tröpfchenbasisierter Mikrofluidik für die Rekonstitution des Aktin-Zytoskeletts innerhalb von GUVs, um eine Verbindung zwischen interzellulärer, mechanischer Signalübertragung und synthetischer Zellmobilität für zukünftige Anwendungen herzustellen. Darüber hinaus habe ich gezeigt, wie GUV-GUV-Interaktionen und Substratadhäsion durch DNA-vermittelte Wechselwirkungen nachgeahmt werden können. Schließlich wurde ein Hybridsystem aus synthetischen und natürlichen Zellen konstruiert und im Hinblick auf die Interaktion zwischen GUVs und HEK-Zellen analysiert. Durch den Einsatz neuartiger synthetisierter Tenside, tröpfchenbasierter Mikrofluidik und pH-vermittelter GUV-Produktion, und ihrer effizienten Biofunktionalisierung konnte ich zum ersten Mal ein umfangreiches Netzwerk synthetischer Zellen und ein hybrides Zellsystem aufbauen. Diese Forschungsarbeit bildet die Grundlage für die zuverlässige und reproduzierbare Herstellung einer großen Anzahl an synthetischen Zellen auf Basis von GUVs mit vorbestimmten biomimetischen Funktionen und stellt einen wesentlichen Schritt auf dem Weg zum Aufbau eines künstlichen Gewebes dar. In Zukunft kann die mechanische und biochemische Signaltransduktion möglicherweise durch Transmembranverbindungen zum Cytoskelett ermöglicht werden, was zur Umsetzung fortschrittlicher bioinspirierter hybrider Zellsysteme für biomedizinische Anwendungen führt.