Untersuchung mechanischer und dynamischer Eigenschaften von polymerisierten Aktinlösungen

Abstract

Aktin ist ein wesentlicher Bestandteil in nahezu allen eukaryotischen Zellen. Neben der Relevanz der Erforschung der physikalischen Eigenschaften von Aktinpolymeren bezüglich biologischer Fragestellungen, ist in vitro polymerisiertes Aktin darüber hinaus auch ein sehr gutes Modellsystem, um die Eigenschaften von semiflexiblen Polymeren im Hinblick auf Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtsphänomene zu untersuchen. <br /> Diese Arbeit beschäftigt sich mit den topologischen und dynamischen Eigenschaften semiflexibler Aktinfilamente in ungestörten sowie in gescherten Aktinlösungen. Die Untersuchungen erfolgen mittels konfokaler fluoreszenzmikroskopischer Messtechniken. Ein theoretisches Konzept zur Beschreibung der dynamischen Eigenschaften einzelner Polymere in einer Polymerlösung ist das Röhrenmodell. In diesem phänomenologischen Modell wird der Raum, innerhalb dessen ein Filament aufgrund seiner thermischen Energie fluktuiert, durch die topologischen Einschränkungen der benachbarten Filamente beschrieben und besitzt näherungsweise eine röhrenartige Form. <br /> Während bisherige theoretische Modelle zur Beschreibung semiflexibler Polymere in erster Näherung von einem konstanten Röhrenradius ausgehen, zeigen die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Experimente, dass die Röhrenradien vielmehr heterogen entlang der Filamentkontur verteilt sind. Basierend auf den experimentell gemessenen Häufigkeitsverteilungen wurde in Kollaboration mit der Arbeitsgruppe von Prof. Kroy (Universität Leipzig) zusätzlich erstmalig die Form der Verteilung der Röhrenradien als Funktion der Aktinkonzentration mit der sogenannten Segment-Fluid-Theorie beschrieben. Darüber hinaus genügen die experimentell bestimmten mittleren Röhrenradien dem von der Theorie vorhergesagtem Skalengesetz. Außerdem wird gezeigt, dass die Abklinglänge der Autokorrelation der Röhrenradien entlang der Filamentkontur sowie die entanglement-Länge, welche die mittlere Distanz zwischen Kollisionspartnern der Röhren beschreibt, dem gleichen Skalengesetz genügen. Verschiedene Experimente an rein physikalisch vernetzten F-Aktinlösungen haben gezeigt, dass F-Aktinlösungen in bestimmten Konzentrationsbereichen viskoeelastische Eigenschaften aufweisen. Um zu verstehen, welche Rolle mikroskopische Mechanismen für die makroskopische Eigenschaft der Viskoelastizität spielen, wird in dieser Arbeit ein weiteres Experiment vorgestellt, bei dem polymerisierte Aktinlösungen unter dem Einfluss einer Scherung untersucht werden. Hierzu wurde eine Konus-Platte-Scherkammer mit einem inversen konfokalen Fluoreszenzmikroskop kombiniert und die mikroskopisch zugänglichen Parameter, wie Orientierung, Konturlängen und Krümmungen von Filamenten, analysiert. <br /> Die Experimente zeigen, dass die Häufigkeitsverteilung von Filamentkrümmungen einen exponentiellen Abfall zu höheren Filamentkrümmungen aufweist. In einem Konzentrationsbereich von 0.02 bis 0.15 mg/ml nimmt die Ausprägung des exponentiellen Abfalls mit steigender Konzentration deutlich zu, zeigt jedoch bis zu einem bestimmten Bereich keine signifikante Abhängigkeit von der Scheramplitude. <br /> Darüber hinaus zeigt sich, dass die mittlere Länge von Filamenten in Aktinlösungen in einem Konzentrationsbereich zwischen 0.02 bis 0.3mg/ml selbst bei sehr hohen Scheramplituden erhalten bleibt, dafür aber die Wahrscheinlichkeit für stark gekrümmte und verschlaufte Filamentkonformationen zunimmt, welche in Aktinlösungen im thermischen und dynamischen Gleichgewicht aufgrund der intrinsischen Biegesteifigkeit von semiflexiblen Filamenten sehr unwahrscheinlich sind. <br /> Die erstmalig gemessene Häufigkeitsverteilung der Röhrenradien in F-Aktinlösungen liefert eine mögliche Erklärung bezüglich Fragestellungen in der Mikrorheologie. Darüber hinaus leisten die Ergebnisse dieser Arbeit einen Beitrag zum Verständnis der makroskopischen Eigenschaft der Viskoelastizität von polymerisierten Aktinlösungen und demonstrieren, dass die Kombination aus Scherkammer und der Technik der konfokalen Mikroskopie eine hervorragende Möglichkeit darstellt Prozesse auf mikroskopischer Ebene zu beobachten.