On the effects of external noise on diffusion and pattern formation in biofluid systems

Titelangaben

Thampi, Mithun:
On the effects of external noise on diffusion and pattern formation in biofluid systems.
Bayreuth , 2023 . - X, 142 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

Volltext

	Format: PDF Name: Thesis_final_Mithun.pdf Version: Veröffentlichte Version Verfügbar mit der Lizenz Creative Commons BY 4.0: Namensnennung
	Download (24MB)

Abstract

Self-organization into well-defined higher-order structures by energy consumption is a crucial feature of biological systems. Exploring these features in vitro using simple biofluid system like Xenopus extracts have recently attracted much interest. This thesis deals with developing methods to understand self-organization under enhanced mixing, confinement, and chemical perturbations. For enhanced mixing inside microdroplets, magnetic stir bars (MSBs) were synthesized and characterized along with a custom-made inverted microscope-compatible stirrer and its controllers. Stirring aqueous droplets with MSBs enhanced the seemingly normal diffusion of tracer particles with its signature encoded in the velocity autocorrelation function. The applicability of MSBs in extract droplets is demonstrated by quantifying fluctuations of ensembles of microtubules. As a next step, the self-organization of Xenopus interphase extract with similar spatial arrangements of cell-like compartments was achieved without any template structures (centrosome or chromatin). Quantifying these features over time showed similar geometrical features with increasing length scale due to the merging of the nearby protocells. These features remained invariant in the presence of a microtubule-stabilizing drug, taxol, with a reduced size, which reduces with increasing taxol concentration. Furthermore, the arrangement of the patterns achieved in microfluidic chambers depends on the chamber geometry. Moreover, in cycling extract supplemented with sperm heads, the cell-like division was achieved. As a preliminary result, the initial pattern in microfluidic chamber depends on the microfluidic chamber, but the smaller daughter protocells that formed later evenly distributed the whole chamber independent of the geometry. The interphase and cycling extract results resembled the patterns in energids and embryos of developing organisms. The results presented in this thesis provide new insights into the complex self-organization processes in cells and the methods that can be utilized to deepen the understanding.

Abstract in weiterer Sprache

Ein essenzielles Merkmal biologischer Systeme ist die Selbstorganisation hin zu geordneten Strukturen weit jenseits des thermischen Gleichgewichts. Phänomene dieser Art lassen sich in vitro besonders gut mit Zellextrakten, gewonnen aus Eiern des Krallenfroschs Xenopus laevis, beobachten. In dieser Arbeit wird die Entwicklung von Methoden beschrieben, um Selbstorganisation in Anwesenheit von verstärktem Durchmischen, lokaler Beengtheit oder chemischen Störungen zu verstehen. Um Mikro-Tröpfchen verstärkt zu durchmischen, wurden sowohl magnetische Rührstäbchen (MSBs) synthetisiert und charakterisiert als auch der zugehörige maßgefertigte Rührer mit Ansteuerung angefertigt, welcher kompatibel mit invertierten Mikroskopen ist. Das Rühren wässriger Tröpfchen mit MSBs führt zu einer Verstärkung der normal erscheinenden Diffusion von Testpartikeln, was in den Charakteristika der Geschwindigkeitsautokorrelationsfunktion zu erkennen ist. Die Anwendbarkeit der MSBs wurde anhand von Fluktuationen eines Mikrotubuliensembles in Extrakttröpfchen gezeigt. Im nächsten Schritt wurde die Selbstorganisation von Xenopus Interphase-Extrakt zu zellartigen Kompartimenten in Abwesenheit von vorgebenden Strukturen (Zentrosomen oder Chromatin) untersucht. Das Charakterisieren dieser Eigenschaften über die Zeit offenbart zeitlich invariante geometrische Merkmale, wobei die charakteristische Längenskala durch das Verschmelzen von benachbarten Protozellen wächst. Diese Eigenschaften blieben in der Anwesenheit des Mikrotubuli stabilisierenden Wirkstoffs Taxol erhalten, wobei die Strukturen mit steigender Taxolkonzentration schrumpfen. Darüber hinaus hängt das entstehende Muster, welches in einer Mikrofluidikkammer realisiert wird, von der Geometrie dieser Kammer ab. Weiterhin wurde zellartige Teilungen in sog. Cycling Extrakten realisiert, welche mit Spermienköpfen versehenen wurden. Vorläufige Ergebnisse zeigen, dass das anfängliche Muster von der Mikrofluidikkammer abhängt, während sich die kleineren Tochterzellen, welche sich später bilden, unabhängig von der Geometrie gleichmäßig in der Kammer verteilen. Die Muster, die in Interphase und Cycling Extrakt ausgebildet werden, ähneln dabei denen von Embryos des Nematoden Caenorhabditis elegans. Die Ergebnisse dieser Arbeit geben neue Einblicke in komplexe Prozesse der Selbstorganisation von Zellen und in Methoden, welche verwendet werden können, um deren Verständnis zu vertiefen.