Konformationsanpassungen des Mikrotubuli-Gitters an mechanische Kräfte und biochemische Wechselwirkungen

01.10.2023 bis 01.10.2026

Mikrotubuli sind Zytoskelett-Filamente , die die Zelle durchziehen und - neben anderen Funktionen - als Spur für molekulare Motoren dienen. Da Mikrotubuli als steif gelten, nimmt man an, dass sie passive Substrate sind, auf denen Motoren laufen und Mikrotubuli assoziierte Proteine (MAPs) binden und damit den intrazellulären Transport und die Stabilität der Mikrotubuli zu regulieren. Neuere Studien wiedersprechen dieser Annahme und zeigen, dass Mikrotubuli eine bemerkenswerte strukturelle Plastizität aufweist und die Konformation durch die Bindung von MAPs und Motoren moduliert wird. Motor-induzierte Veränderungen können von anderen MAPs in einer Entfernung von einigen Mikrometern wahrgenommen werden, was auf eine Anpassung der Konformation der Mikrotubulistruktur an Bindungsinteraktionen hindeutet. Dass mechanische Kräfte Veränderungen in der Mikrotubulistruktur bewirken können, die wiederum die Bindungsschnittstelle und damit die Bindungsaffinität von MAPs und Motoren modulieren, ist jedoch kaum verstanden. Ich habe kürzlich gezeigt, dass die Interaktion zwischen Kinesin-1 und Mikrotubuli unter entgegengesetzten Kräften als Gleit-, Ideal- oder Fangbindung charakterisiert werden kann. Dieses variable Verhalten hängt davon ab, ob die entgegengesetzte Zugkraft am Mikrotubuliplusende auf demselben oder einem anderen Protofilament wirkt an dem Kinesin-1 zieht. Diese Daten deuten darauf hin, dass Zugkräfte die Mikrotubulistruktur und seine Bindungsschnittstelle mit Kinesin-1 deformieren können. Mit diesem Antrag plane ich experimentelle Versuche zu entwickeln, um Zugkräfte und mechanische Störungen auf einzelne Mikrotubuli auszuüben. Dazu wird eine duale optische Pinzette in Kombination mit kontrastreicher Fluoreszenz und markierungsfreier Mikroskopie verwende werden. Die Dekoration der Mikrotubuli mit Quantendots wird es ermöglichen, die induzierten mechanischen Verzerrungen der Mikrotubulistruktur mit Nanometer-Genauigkeit zu messen. Außerdem wird die Reaktionszeit der Struktur sowie seine Elastizität und Plastizität als Funktion der Kraft gemessen. Die Auswirkungen der induzierten Verzerrungen auf die Interaktion mit gelösten MAPs und Motoren aus Säugern und Pflanzen werden durch Messung der Assoziations- und Dissoziationskonstanten von einzelnen fluoreszierenden Kinesin-1-Motoren und anderen MAPs analysiert. Außerdem wird, die Fähigkeit der Mikrotubulistruktur zur Krafterfassung und seine strukturelle Konformation, z. B. Ausdehnung oder Verdichtung, bei gesättigter MAP-Konzentrationen untersucht werden. Die geplanten Experimente werden neue Erkenntnisse über die Fähigkeit der Mikrotubuli als Sensoren und Übermittler mechanischer und biochemischer Signale zwischen entfernten Teilen der Zelle zu fungieren liefern.