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datestamp: 2025-08-11 09:49:02
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status_changed: 2025-08-11 09:49:02
type: doctoralThesis
metadata_visibility: show
creators_name: Pennarola, Federica
title: Dynamics and Forces during Clathrin-Mediated Endocytosis
subjects: ddc-500
divisions: i-160001
adv_faculty: af-13
abstract: Biological cells use a process known as endocytosis to transport various types of extra- cellular cargo across their plasma membrane. Clathrin-Mediated Endocytosis (CME) is one of the main endocytic routes in eukaryotic cells, in which vesicle formation is mainly driven by the self-assembly of the clathrin cage and the adhesion energy of receptor-ligand bonds. In this thesis, I employed several bottom-up experimental approaches to investigate the dynamics, forces and coat curvatures involved in the CME of nanoscale particles at the ventral side of cells, probing the process with vary- ing levels of spatio-temporal control. In a first step, I combined surface chemistry techniques with nanoparticle (NP) technology and live-cell microscopy, to observe CME recruitment on surface-bound 200nm and 40nm NPs, either plain or coated with Transferrin, a ligand known to activate the pathway. We found that tuning NP size and chemistry induces significant changes in CME dynamics and recruitment statistics. I subsequently performed fluorescence nanoscopy measurements on the im- mobilized beads, and investigated whether clathrin-cage curvature adapts to varying cargo size. Notably, we found unexpected cage growth limitations with increasing NP diameter. Finally, by further integrating block-copolymer micellar nanolitography and DNA-based molecular tension sensors into the system, I investigated force generation during CME of NPs, and measured forces in the order of tens of pN during clathrin- coated vesicle formation and release into the cytosol. Together, these results further our understanding on how mechanical and molecular signatures of nanometric cargoes can be fine-tuned to gain entry into host cells through clathrin-mediated endocytosis.
abstract_translated_text: Biologische Zellen nutzen einen Prozess namens Endozytose, um verschiedene Arten von extrazellulären Frachtstoffen durch ihre Plasmamembran zu transportieren. Die Clathrin-vermittelte Endozytose (CME) ist einer der wichtigsten endozytischen Wege
in eukaryotischen Zellen, bei dem die Vesikelbildung hauptsächlich durch die Selb- storganisation des Clathrin-Käfigs und die Adhäsionsenergie der Rezeptor-Liganden- Bindungen angetrieben wird. In dieser Arbeit habe ich mehrere Bottom-up- Ex- perimente durchgeführt, um die Dynamik, Kräfte und Hüllenkrümmungen zu un- tersuchen, die bei der CME von nanoskaligen Partikeln an der ventralen Seite von Zellen eine Rolle spielen, wobei ich den Prozess mit unterschiedlichem Grad an räum- licher und zeitlicher Kontrolle untersucht habe. In einem ersten Schritt kombinierte ich oberflächenchemische Techniken mit Nanopartikel (NP)-Technologie und Live- Zell-Mikroskopie, um die CME-Rekrutierung an oberflächengebundenen 200 nm und
40 nm großen NPs zu beobachten, die entweder unbeschichtet oder mit Transfer- rin beschichtet waren, einem Liganden, von dem bekannt ist, dass er den Weg ak- tiviert. Wir fanden heraus, dass die Abstimmung der NP-Größe und -Chemie sig- nifikante Veränderungen in der CME-Dynamik und den Rekrutierungsstatistiken be- wirkt. Anschließend führte ich Fluoreszenz-Nanoskopiemessungen an den immobil- isierten Kügelchen durch und untersuchte, ob sich die Krümmung des Clathrin-Käfigs an unterschiedliche Ladungsgrößen anpasst. Bemerkenswert ist, dass wir mit zunehmen- dem NP-Durchmesser unerwartete Wachstumsbeschränkungen des Käfigs feststell- ten. Schließlich untersuchte ich durch die weitere Integration von Block-Copolymer- Mizellen-Nanolithografie und DNA-basierten molekularen Spannungssensoren in das System die Krafterzeugung während der CME von Nanopartikeln und maß Kräfte in der Größenordnung von einigen zehn pN während der Bildung von Clathrin- beschichteten Vesikeln und deren Freisetzung in das Zytosol. Zusammen tragen diese Ergebnisse zu einem besseren Verständnis darüber bei, wie mechanische und molekulare Signaturen von nanometrischen Ladungen fein abgestimmt werden können, um durch Clathrin- vermittelte Endozytose in Wirtszellen einzudringen.
abstract_translated_lang: ger
date: 2026
id_scheme: DOI
id_number: 10.11588/heidok.00037100
own_urn: urn:nbn:de:bsz:16-heidok-371000
date_accepted: 2025-07-07
advisor: HASH(0x558b3cbf2a68)
language: eng
bibsort: PENNAROLAFDYNAMICSAN20250806
full_text_status: restricted
place_of_pub: Heidelberg
citation:   Pennarola, Federica  (2026) Dynamics and Forces during Clathrin-Mediated Endocytosis.  [Dissertation]     
document_url: https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/37100/1/Pennarola_Federica_komplett.pdf