Projekt 1: Nanostrukturen zur Untersuchung von Membranverformungen in lebenden Zellen

Ziel: Während die Idee von Regulationsmechanismen in der Zellen, die von krümmungabhängigen Membranwechselwirkungen abhängen, weitgehend akzeptiert ist, sind die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen grösstenteils unbekannt geblieben. Dies liegt daran, dass solche Prozesse in lebenden Zellen bisher schwer zu untersuchen waren.

Ansatz: Wir benutzen neuartige Nanostrukturen, um Membrankrümmung zu induzieren. Dies erlaubt erstmals eine systematische Charakterisierung der biophysikalischen Eigenschaften der einzelnen krümmungssensitiven Proteinen in lebenden Zellen.

Bedeutung: Eine Unterteilung der krümmungsensitiven Proteine auf Basis von räumlichen (positive oder negative Krümmung) und zeitlichen (Bindungsaffinität, Polymerstabilität) Parameter wird uns ermöglichen, die Proteinkinetik an der Plasmamembran zu charakterisieren.

Fig. 1: Künstliche Kraftübertragung auf die Zellmembran via Nanostrukturen.

Projekt 2: Regulation der Aktin Dynamik via Membranverformungen

Ziel: Viele der mehr als 100 Krümmungssensitiven Proteine ändern direkt die Aktin-Polymerisation und damit die Kraftquelle, welche für die Membranverformung verantwortlich ist. Die daraus resultierenden positiven und negativen Feedback-Schleifen werden wahrscheinlich von Zellen zur Steuerung der Kräfte verwendet. Wir versuchen zu verstehen, wie die Zelle Membranverformungen verwendet, um die Dynamik des Zellskeletts zu kontrollieren.

Ansatz: Wir verwenden computerunterstützte Bildanalyse in Kombination mit chemischen und genetischen Ansätzen, um die räumlich-zeitliche Lokalisierung sowie die funktionellen Folgen der Proteinrekrutierung zu charakterisieren. Derzeit konzentrieren wir uns auf die ~ 100 Proteine mit konservierten BAR-Domänen.

Bedeutung: Diese Studien werden die Bedeutung von Kräften und Membrankrümmung in einer Vielzahl von zellulären Prozessen (zB. Zellmigration, bakterielle Pathogenese, virale Infektionen sowie Vesikel Endozytose und Fusion) ermöglichen.

Fig. 2: Aktin-abhängige PM deformation.

Projekt 3: Kontrolle der neuronalen Architektur via Membranverformungen

Ziel: Wir werden systematisch untersuchen, wie Nervenzellen Kräfte koordinieren, um ihre komplexen 3-dimensionalen verzweigten Membranstrukturen zu gestalten. Trotz ihrer Bedeutung für die Integration und Signalübertragung sind die molekularen Mechanismen, welche die neuronale Architektur steuern, unklar.

Ansatz: Wir benutzen genetische und chemische Werkzeuge, um die krümmungs-abhängige Rekrutierung von einzelnen Proteinen, welche die neuronale Architektur beeinflussen, zu analysieren.

Bedeutung: Die doppelte Fähigkeit von ausgewählten Proteinen Kraftausübung zu detektieren und zu modulieren ist wichtig, da Mängel dieser Rückkopplungsschleifen zu neuro-degenerativen Erkrankungen (zB OPHN1 und SRGAP2) führen können.

Fig. 3: Filopodien welche Synapsen formen werden sind Orte hoher Aktindynamik.

Projekt 4: Methodenentwicklung

Ziel: Entwicklung neuer Ansätze um die mechanischen Eigenschaften von Zellen zu untersuchen. Dazu gehören unter anderem Methoden für korrelative Fluoreszenz-Rasterelektronenmikroskopie (Fig. 4).

Ansatz: Unser Ansatz kombiniert Materialwissenschaft und Bildanalyse.

Bedeutung: Die Entwicklung neuer Konzepte ermöglicht bessere Einblicke in ultrastrukturelle Veränderungen, die zelluläre Signale an der Plasmamembran regeln.

Fig 4: Correlative Licht-Elektronenmikroskopie via Stochastische Mikro-muster