Fakultät für Physik - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 01/05 Archiv

In dieser Arbeit werden Anwendungen der Kraftspektroskopie zur Erforschung und Anwendung von nicht-kovalenten biologischen Bindungen vorgestellt. Analysiert wurde die Bindungsstärke einzelner Rezeptor-Ligand Bindungen und die Wechselwirkung von Zellmonolayern. Als Anwendung der molekularen Erkennung wird die Lokalisation von Zellen auf Grund ihrer spezifischen Wechselwirkung vorgestellt. Durch den Vergleich der Bindungskräfte mehrerer Rezeptoren zu einem Liganden lassen sich Aussagen über die biologische Wirkung und Aufgabe einer Rezeptor-Ligand Bindung treffen. Die Analyse der Trennkurven von biologisch relevanten Zell/Zellmonolayer- oder großflächigen Zell/Protein-Kontakten ergeben Einblicke in zeitliche Abläufe und involvierte Proteine bei der Zelladhäsion. • Dynamische Kraftspektroskopie mit drei verschiedenen Lektinen und zwei Liganden zeigten, daß die jeweilige Bindungskraft in dem experimentell zugänglichen Bereich der Ladungsrate über 3 Größenordnungen (100-10000 pN/sec) eine lineare Abhängigkeit vom Logarithmus der Ladungsrate aufweist. Zusätzlich sind die einzelnen Rezeptor-Ligand Systeme auf Grund ihrer Bindungsstärke bei Ladungsraten größer als 700 pN/sec eindeutig zu unterscheiden. Die Bindungsstärke, die für das schwächste Paar 34 pN und für das stärkste 58 pN bei 3000 pN/sec Ladungsrate beträgt, läßt sich in Relation zur biologischen Wirkung setzen. • Mit Monte Carlo und Wahrscheinlichkeitsdichte Simulationen konnte wegen der experimentell gemessenen linearen Abhängigkeit der Bindungskraft vom natürlichen Logarithmus der Ladungsrate die Breite oder Reichweite des Bindungspotentials der jeweiligen Rezeptor-Ligand Bindung bestimmt werden (4-10 Å). Die für die verschiedenen Bindungen durchgeführten Simulationen zeigten, daß die berechnete Breite des Potentials reziprok mit der gemessenen Dynamik der Bindungsstärke korreliert. • Am Beispiel von Uterusepithel- und Trophoblastzellen wurde gezeigt, daß mit dem Kraftmikroskop die Bindungsfähigkeit von Zellen gemessen werden kann. Experimente mit verschiedenen Modelloberflächen und die Variation der Kontaktzeit machten deutlich, daß die Präsenz von Rezeptoren für Zelladhäsionsproteine, wie z.B. Integrine für Fibronektin, in der apikalen Membran und Kontaktzeiten länger als 20 min die notwendige Voraussetzung für stabile interzelluläre Kontakte zwischen Epithelzellen sind. Für kürzere Kontaktzeiten ist ein Modell mit nicht vernetzten, membrangebundenen Bindungspartnern und deren möglicher viskoser Anbindung an die Zelle erstellt worden. • In einem gemischten Zellmonolayer aus Erythrozyten der Blutgruppe A und O, sind die Zellen der Gruppe A, auf Grund der spezifischen Wechselwirkung mit dem funktionalisierten Kraftsensor, mit einer Affinitätsabbildung lokalisiert worden. Die spezifische Lokalisation von Liganden an lebenden Zellen mit dem Kraftmikroskop ist demnach mit dieser Technik möglich.

Die vorliegende Arbeit soll einen Einblick in aktuelle Entwicklungen der Statistik und Dynamik großräumiger Strukturen im Universum geben. Breiter Raum wird dabei der statistischen Auswertung mit Hilfe von Minkowskifunktionalen eingeräumt. Dieses übergeordnete Thema illustrieren wir exemplarisch durch die detailierte Darlegung dreier Anwendungsbereiche, die ganz unterschiedliche Arten kosmologisch relevanter Daten verwerten. Wir hoffen, mit diesem Überblick einen Beitrag zu der wachsenden Akzeptanz zu leisten, die die Minkowskifunktionale in letzter Zeit als Alternative zu den weit verbreiteten Zweipunktstatistiken gewinnen.

7 Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden mit dem Rasterkraftmikroskop (AFM) Untersuchungen an lebenden Zellen durchgeführt. Zu diesem Zweck wurde eine Versuchsanordnung aufgebaut, die ein kommerziell erhältliches AFM mit einem invertierten optischen Mikroskop kombiniert. Die Anordnung erlaubt es, während der Messung Umgebungsbedingungen aufrechtzuerhalten, bei denen Zellen über lange Zeiträume hinweg überleben. Zunächst wurde eine festkörpergestützte Lipidschicht als Modellsystem verwendet, um die komplexe Wechselwirkung zwischen AFM-Spitze und Zellmembran zu charakterisieren. Daraus ergab sich eine Methode zur ortsaufgelösten Messung elektrostatischer Oberflächeneigenschaften. Die ersten Experimente an lebenden Zellen dienten der Beantwortung einiger grundlegender Fragen zur Bildentstehung an weichen Proben. Dazu zählen die Diskussion des verringerten Auflösungsvermögens und die Interpretation des Abbildungsvorgangs. Durch Korrelation der AFM-Messungen mit strukturellen Daten in Form von Fluoreszenzbildern konnten faserige Strukturen, die häufig in AFM-Bildern lebender Zellen auftreten, als Spannungsfasern (Bündel von Aktinfilamenten) identifiziert werden. Den Hauptteil der Arbeit bilden Elastizitätsmessungen an Zellen, die ebenfalls mit Hilfe des AFM durchgeführt wurden. Die lokalen Elastizitätsmoduli einer Probe werden dabei aus dem Verlauf von Kraftkurven berechnet. Dieser Berechnung liegt das Hertz-Modell für die elastische Eindrückung zweier Körper zugrunde. Einschränkungen, die sich ergeben, wenn Voraussetzungen des Modells hinsichtlich Probenbeschaffenheit und geometrischer Verhältnisse des Systems nicht erfüllt sind, wurden experimentell untersucht und theoretisch diskutiert. Um eine Interpretation der Elastizitätsbilder zu ermöglichen, mußte geklärt werden, welche Bestandteile den Zellen mechanische Stabilität verleihen. Morphologischen Überlegungen zufolge spielt das Zytoskelett die Rolle einer Stützstruktur, die die Zellen nicht nur stabilisiert, sondern auch verschiedene Bewegungsvorgänge ermöglicht. Durch gezielte Manipulationen konnte gezeigt werden, daß das Aktinnetzwerk, eine Komponente des Zytoskeletts, von entscheidender Bedeutung für die Zellelastizität ist. In analogen Experimenten wurde festgestellt, daß Mikrotubuli, die ebenfalls zum Zytoskelett gehören, keinen Einfluß auf die Stabilität von Zellen haben. Die Manipulationen wurden mit Hilfe verschiedener chemischer Wirkstoffe durchgeführt, die spezifisch bestimmte Bestandteile des Zytoskeletts angreifen. Dabei konnten sogar Unterschiede in den Mechanismen der Wirkstoffeffekte beobachtet werden. Eine erste Anwendung fanden diese Resultate bei der Untersuchung kriechender Zellen. Dieser Bewegungsvorgang beruht auf koordinierten Umstrukturierungen im Aktinnetzwerk und spielt eine entscheidende Rolle z. B. bei der Ausbreitung von Krebs, bei der Embryonalentwicklung oder bei Reaktionen des Immunsystems. Mit Hilfe von Elastizitätsmessungen an aktiven Lamellipodien kriechender Bindegewebszellen wurden Erkenntnisse über den molekularen Mechanismus gewonnen, der der Bewegung dieser Zellen zugrunde liegt. Von vier Modellvorstellungen über den Ursprung der Kraft, die das Lamellipodium vorwärts schiebt, sind nur zwei mit den AFM-Daten konsistent. Die Fortsetzung dieser Messungen bilden ähnliche Experimente mit schnell kriechenden Keratocyten sowie mit chemotaktisch stimulierten MTLn3-Zellen. In einem weiteren Projekt wurde das Quellverhalten der Cuticula untersucht. Die Cuticula ist die wachsartige extrazelluläre Schicht an der Oberfläche von Blättern hochentwickelter Pflanzen. Sie reguliert den Wasserhaushalt der Pflanzen. Aus dem gemessenen Quellverhalten ergaben sich Rückschlüsse auf die Diffusionsrate von Wasser durch die Cuticula.