German Title: Kontinuumsmodellierung zellulärer Kontraktilität

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Abstract

Biological cells generate mechanical forces to sense and interact with neighboring cells and the extracellular environment. In this thesis, I combine traction force microscopy, viscoelastic continuum models, finite element simulations and homogenization techniques to demonstrate how contractility on the cellular level emerges from the force-generating actomyosin cytoskeleton. These theoretical approaches are complemented by a series of collaborations with experimental groups that investigate the actomyosin system in different biological systems. For stress fibers, we find a transition from elastic to fluid behavior at a typical timescale of tens of minutes. For small yet strong spreading platelets, we estimate intracellular stresses in the kilopascal range. For epithelial monolayers, I show that the propagation of mechanical forces defines the territories for leader cell formation. Homogenization is used to demonstrate how intracellular polarization determines traction forces, and that stress fibers are characterized by negative compressibility, a property which defines mechanical metamaterials.

Translation of abstract (German)

Biologische Zellen erzeugen mechanische Kräfte, um andere Zellen und die extrazelluläre Umgebung zu ertasten und um mit ihnen wechselzuwirken. In dieser Arbeit verknüpfe ich Zellkraftmikroskopie, viskoelastische Kontinuumsmodelle, Finite-Elemente-Simulationen und Homogenisierungsmethoden, um zu zeigen, wie Kontraktilität auf der Zellebene aus dem krafterzeugenden Aktomyosin-Zytoskelett entsteht. Diese theoretischen Ansätze werden durch verschiedene Zusammenarbeiten mit experimentellen Gruppen ergänzt, die das Aktomyosin-System in unterschiedlichen biologischen Systemen untersuchen. Für Stressfasern finden wir auf einer charakteristischen Zeitskala von einigen Zehnerminuten einen Übergang von elastischem zu fluidem Verhalten. Für kleine und trotzdem starke Blutplättchen, die sich auf einer Unterlage ausbreiten, schätzen wir intrazellulären Spannungen im Kilopascalbereich. Für Epithelschichten zeige ich, dass die Ausbreitung mechanischer Kräfte die Territorien für die Ausbildung von Führungszellen definiert. Homogenisierung wird angewandt, um zu zeigen, wie intrazelluläre Polarisierung Zellkräfte bestimmt, und dass sich Stressfasern durch eine negative Kompressibilität auszeichnen, eine Eigenschaft, die mechanische Metamaterialien definiert.