High-bandwidth microrheology of cytoskeletal networks

Abstract

Die Materialeigenschaften, die Organisation und der Aufbau des Zytoskeletts sind immer noch weitgehend unverstanden. In dieser Arbeit werden die viskoelastischen Eigenschaften von Zytoskelett-Netzwerken mit Hilfe der Mikrorheologie untersucht. Es wurde ein kompakter, rauscharmer, auf optischen Fallen basierender Mikrorheologieaufbau mit großer Frequenzbandbreite konstruiert, der passive und aktive Ein- und Zwei-Partikel Mikrorheologiemessungen erlaubt. Zwei unabhängige optischen Fallen verschiedener Wellenlänge sind implementiert, die sich akusto- und elektrooptisch mit hoher Präzision und großem Frequenzbereich verfahren lassen. Das speziell angefertigte Mikroskop beinhaltet Differentialinterferenzkontrast, sowie Fluoreszenzbeleuchtung und die Probe kann piezoelektrisch mit hoher Präzision in 3D positioniert werden. Die optische Justage, Drift und das Rauschverhalten des Aufbaus wird in einer einfachen viskosen Flüssigkeit, sowie in lebenden Zellen getestet. Mikrorheologiemessungen mit hoher Frequenzbandbreite werden in einer Vielzahl von Modelsystemen durchgeführt. Es werden einfache Netzwerke aus Mikrotubuli und Nichtgleichgewichtsnetzwerke aus Mikrotubuli und Motorproteinen untersucht. Ein Kompositnetzwerk aus Mikrotubuli und F-Aktin mit und ohne Quervernetzung wird beschrieben und die viskoelastischen Eigenschaften über eine große Frequenzbandbreite ermittelt. Weiterhin wird ein Nichtgleichgewichtssystem mit Mikrotubuli, F-Aktin und Mikrotubuli assoziierten Motorproteinen charakterisiert. Eine neue Mikrorheologietechnik, die steife Filamente verwendet wird entwickelt und in einem F-Aktin Netzwerk getestet. Mikrotubuli werden in einem verschlauften F-Aktin Netzwerk eingebettet. Nanometergroße Goldkugeln werden an die Mikrotubuli gebunden und deren Bewegung mit einer optischen Falle gemessen. Die Kontur des Filaments ist eine Superposition aus Fouriermoden und die Fluktuationen an einer Stelle entlang des Filaments beinhaltet bereits die gesamte Biegedynamik, die wiederum Rückschlüsse auf das umgebende Material zulässt, welches die Bewegung des Filaments einschränkt. Erste Resultate für den komplexen Schermodul des F-Aktin Netzwerks sind in Übereinstimmung mit theoretischen Beschreibungen und herkömmlichen Mikrorheologiemessungen des gleichen Probensystems.