%0 Generic
%A Weichsel, Julian
%D 2010
%F heidok:11389
%K theoretical biophysics , actin , lamellipodium , computer simulation , reaction kinetics
%R 10.11588/heidok.00011389
%T Modeling and quantitative analysis of actin cytoskeleton networks
%U https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/11389/
%X In eukaryotischen Zellen bildet das Strukturprotein Aktin Polymernetzwerke aus, die sehr dynamisch und für viele zelluläre Prozesse lebenswichtig sind. In dieser Arbeit werden theoretische Konzepte vorgestellt, um die Eigenschaften komplexer Aktin-Netzwerkstrukturen zu verstehen und mit Messungen mittels Fluoreszenz- und Elektronenmikroskopie zu vergleichen. Ein Großteil der Arbeit behandelt dabei flache vernetzte Aktinstrukturen, die durch gerichtete Polymerisation gegen eine äußere Kraft anwachsen. Dieser Netzwerktyp ist ein wichtiger Bestandteil von sich bewegenden Zellen, wird aber auch von intrazellulären Pathogenen zur Fortbewegung missbraucht. Eine zentrale, experimentell messbare Eigenschaft solcher Netzwerke ist ihre Kraft-Geschwindigkeits-Relation. Verschiedene aktuelle Messungen ergaben hierfür widersprüchlich erscheinende Ergebnisse. In einem relativ einfachen physikalischen Modell wird gezeigt, dass in wachsenden Aktin-Netzwerken zwei stationäre Filament-Orientierungsverteilungen miteinander konkurrieren. Strukturelle Übergänge zwischen den beiden Architekturen werden durch Änderung der Wachstumsgeschwindigkeit des Netzwerks initiiert. Mit zusätzlichen Annahmen zur mechanischen Stabilität einzelner Filamente werden die experimentell gefundenen Eigenarten der Kraft-Geschwindigkeits-Relation (eine Abfolge von konvexen und konkaven Verläufen sowie Hysterese) theoretisch begründet. Das Modell wird zusätzlich auf Aktinwachstum gegen gekrümmte Hindernisse wie intrazelluläre Pathogene erweitert. Um in der Zukunft spezifische Vorhersagen des Modells experimentell zu überprüfen, wurde eine Methode zur automatischen Analyse von Elektronenmikroskopiebildern von Aktin-Netzwerken entwickelt. Erste Ergebnisse lassen eine gute Übereinstimmung erwarten. Des Weiteren wurde eine Methode entwickelt, um Änderungen in der Aktin-Struktur von adhärenten Zellen in einem Hochdurchsatzverfahren mit Fluoreszenzmikroskopie zu bewerten.