Quantitative Analyse der Bewegungsdynamik des Fadenwurms Caenorhabditis elegans in viskoelastischen Medien

Titelangaben

Schade, Carsten:
Quantitative Analyse der Bewegungsdynamik des Fadenwurms Caenorhabditis elegans in viskoelastischen Medien.
2018 . - 181 S.
( Dissertation, 2018 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Abstract

Caenorhabditis elegans gehören zum Stamm der Nematoden (Fadenwürmer) und können eine Körperlänge von über 1 mm erreichen. Ihre Fortbewegung ist komplex und hängt von den viskoelastischen Eigenschaften ihrer näheren Umgebung ab. Für eine quantitative Analyse der Bewegungsdynamik von C. elegans wurde extra für diese Arbeit ein spezielles Durchlichtmikroskop gebaut, mit dem die Fortbewegung der Nematoden in unterschiedlich viskoelastischen Umgebungen optimal untersucht werden konnte. Als viskoelastische Umgebungen wurden dabei Agarose-Lösungen aus M9-Puffer mit Agarose-Anteilen zwischen 0 und 0,5 Gew.-% verwendet. Mit einer Kombination aus Matlab und LabVIEW wurde eigens für das Mikroskop ein neues Software-Konzept für die Programmierung von Tracking-Systemen entwickelt, das es uns ermöglichte, eine präzise Analyse der Bewegungsdynamik von C. elegans durchzuführen. Durch den Einsatz verschiedener Aufnahme-Verfahren konnten die Nematoden sowohl mit Tracking-Geschwindigkeiten bis zu 30 Bildern pro Sekunde aufgenommen, als auch ihre Fortbewegung über längere Strecken (bis in den Zentimeterbereich hinein) beobachtet werden. Damit konnten wir zeigen, dass es bei Agarose-Konzentrationen zwischen 0,3 und 0,4 Gew.-% einen optimal viskoelastischen Bereich für die Fortbewegung der Nematoden gibt, in welchem sich die Nematoden am effizientesten fortbewegen können. Darüber hinaus zeigte sich, dass für lange Beobachtungszeiten (>25 Sekunden) die Bewegung der Nematoden in allen viskoelastischen Umgebungen superdiffusiv ist. Auf Grundlage der erhaltenen Ergebnisse konnte mit einer Kombination aus Random walk und periodischem Bewegungszyklus ein neues Modell der C. elegans-Bewegung erstellt werden, mit dem die Fortbewegung der Nematoden in viskoelastischen Umgebungen auf allen Zeitskalen exakt beschrieben werden kann.

Abstract in weiterer Sprache

Caenorhabditis elegans belong to the strain of the nematodes (roundworms) and can reach a body length of more than 1 mm. Their locomotion is complex and depends on the viscoelastic properties of their surrounding. For a quantitative analysis of the movement dynamics of C. elegans, a special transmission light microscope was specially constructed for this work, which could optimally investigate the locomotion of the nematodes in different viscoelastic environments. Agarose solutions from M9 buffers with agarose portions between 0 and 0.5% by weight were used as viscoelastic environments. With a combination of Matlab and LabVIEW, a new software concept for the programming of tracking systems was developed specially for the microscope that allowed us to carry out a precise analysis of the movement dynamics of C. elegans. Using different recording methods, the nematodes could be monitored with tracking speeds of up to 30 images per second, even large-scale movement in the centimeter range. We were thus able to show that with agarose concentrations between 0.3 and 0.4% by weight, there is an optimal viscoelastic range for the movement of the nematodes in which the nematodes can move most efficiently. Furthermore, for long observation times (>25 seconds) the movement of the nematodes is superdiffusive in all viscoelastic environments. On the basis of the results obtained, a new model of the C. elegans movement could be re-created with a combination of random walk and periodic movement cycle, with which the movement of the nematodes in viscoelastic environments can be accurately described on all time scales.