German Title: Über die Mobilität von Makromolekülen in Zellen

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Abstract

In the first part of this thesis diffusion measurements with fluorescence correlation spectroscopy on fluorescence-labeled nanogold particles in the cytoplasm and the nucleus of living cells are presented. The nanoparticles were detected to move by subdiffusion, i.e. their mean square displacement displayed a power-law scaling ~ t^a, a < 1. This observation can be explained with the high amounts of macromolecules (such as proteins) dissolved in intracellular fluids which obstruct the motion of indiviual nanoparticles. From the diffusion behaviour of the particles the complex shear modulus G(w) ~ w^a of the intracellular fluids was calculated, which showed the cellular interior to be viscoelastic on the nanoscale. Furthermore, the efficiency of a subdiffusive molecule to approach a fixed target was quantified. Computer simulations highlighted here that the probability to reach a target is increased for a subdiffusive particle as compared to a normal diffusive particle, which suggests that a cell may benefit from the subdiffusion of macromolecules in its interior. In the second part of the thesis the two-dimensional diffusion of cylindrical objects embedded in lipid membranes is investigated. Coarse-grained molecular dynamic simulations ('dissipative particle dynamics') demonstrated that the size-dependence of the diffusion coefficients is properly described by the Saffman-Delbrück theory.

Translation of abstract (German)

Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit werden Diffusionsuntersuchungen mit Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie an fluoreszenzmarkierten Nanogold-Partikeln in Zytoplasma und Nukleus lebender Zellen vorgestellt. Die Messungen zeigten, dass sich die Nanopartikel per Subdiffusion bewegten, d.h. ihre mittlere quadratische Verschiebung ein Zeitskalierungsverhalten ~ t^a, a < 1 aufwies. Ein solches Bewegungsverhalten lässt sich auf die in großen Mengen in intrazellulären Flüssigkeiten gelösten Makromoleküle (beispielsweise Proteine) zurückführen, welche die Bewegung einzelner Nanopartikel behindern. Aus dem Diffusionsverhalten der Partikel wurde das komplexe Schermodul G(w) ~ w^a der intrazellulären Flüssigkeiten berechnet; dies zeigte, dass sich das Zellinnere auf der Nanoskala viskoelastisch verhält. Im Weiteren wurde anhand von Computersimulationen quantifiziert, mit welcher Effizienz ein subdiffundierendes Molekül ein fixiertes Ziel erreicht (beispielsweise eine Bindungsstelle). Es ergab sich, dass die Wahrscheinlichkeit, ein Ziel zu erreichen, für einen subdiffundierenden Partikel höher ist als für einen normal diffundierenden Partikel, was den Schluss zulässt, dass eine Zelle von der Subdiffusion von Makromolekulen in ihrem Inneren profitiert. Im zweiten Teil der Arbeit wird in 'grobkörnigen' Molekulardynamiksimulationen ('dissipative particle dynamics') das zweidimensionale Diffusionsverhalten von in Lipidmembranen eingebetteten zylindrischen Objekten mit unterschiedlichen Radien untersucht. Es erwies sich hierbei, dass eine zutreffende Vorhersage der Größenabhangigkeit der Diffusionskoeffizienten durch die Saffman-Delbrück-Theorie gegeben wird.