On the crowding state of cellular and biomimetic fluids

Titelangaben

Stiehl, Olivia:
On the crowding state of cellular and biomimetic fluids.
Bayreuth , 2017 . - 140,XLVII S.
( Dissertation, 2017 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Abstract

Zelluläre Fluide sind voll von Makromolekülen. Im Zytoplasma werden Konzentrationen von bis zu 400 g/l erreicht. Mögliche Folgen dieser dichten Umgebungen sind excluded volume und anomale Subdiffusion. Zunächst wurde ermittelt wie die Anomalität bei konstanter Volumenbesetzung eingestellt werden kann. Anschließend wurden mittels Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (FCS) und Absorptionsmessungen die Auswirkungen des macromolecular crowding auf biochemische Reaktionen in artifiziellen Fluiden untersucht. Bei einer hohen Makromoleküldichte ist die Kinetik verlangsamt und es werden kompaktere Konformationen bevorzugt. Dieser Effekt ist für reines excluded volume beobachtbar, ist jedoch stärker ausgeprägt bei subdiffusiver Bewegung. Zudem wurde die Heterogenität von zellulären und dichten, artifiziellen Fluiden auf der Meso- und Nanoskala mittels FCS und Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie (FLIM) bestimmt. Zelluläre Umgebungen haben sich im Gegensatz zu einfachen, künstlichen Lösungen als heterogen auf beiden Längenskalen erwiesen. Außerdem sind diese Fluide geeignet mittlere zelluläre Gegebenheiten auf der Mesokala nachzuahmen, nicht aber auf lokaler Skala. DASPMI basierte FLIM Experimente in lebenden Zellen haben die Auswirkungen von Chemotherapeutika auf verschiedene Organellen auf lokaler Ebene dargelegt. Diese vielversprechenden Ergebnisse haben die Entwicklung eines automatisierten Algorithmus hervorgerufen, welcher Bildregionen den jeweiligen Organellen zuordnet und somit die Anwendung von DASPMI für screening assays ermöglicht.

Abstract in weiterer Sprache

Cellular fluids are crowded with a plethora of macromolecules reaching concentrations of 400 g/l. These crowded environments manifest themselves via excluded volume and a possible subdiffusion. Initially, the diffusion anomaly was found to be tunable at constant volume occupancy. Then, the impact of macromolecular crowding on biochemical reactions was investigated via fluorescence correlation spectroscopy (FCS) and absorption measurements in artificial solutions. Crowding was found to not only decelerate the kinetics but also the steady state equilibria are shifted towards more compact conformations. This impact is already observable for pure excluded volume but it is enhanced in the presence of subdiffusion. Moreover, the heterogeneities of cellular and artificial crowded fluids were designated on the meso and local scale via FCS and fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM). Cellular fluids feature a marked heterogeneity on both length scales in contrast to simple, artificial solutions, which may represent average intracellular conditions on the meso scale but not in the range of few nanometers. Facing the local scale, in-vivo-FLIM was performed on the sensor dye DASPMI in order to characterize the impact of chemotherapeutics in distinct cellular compartments. These promising results have induced the development of an automated algorithm how the observable organelles can be dissected in order to facilitate a future application of DASPMI for screening assays.