Aufklärung der Mechanismen der Chitin-Faser-Orientierung in Arthropodenkutikula

01.01.2015 bis 31.12.2019

Die Kutikula von Arthropoden ist eines der vielseitigsten biologischen Materialien. Mehrere strukturelle hierarchische Ebenen, von der morphologischen "Makroskala" bis hin zur molekularen Größenordnung bestimmen die mechanischen Eigenschaften und biologischen Funktionen der Kutikula. Die Hauptbestandteile der Kutikula sind Schichten von alpha-Chitin Nanofibrillen, welche von Chitin-bindenden Proteinen umgeben sind. Die Orientierung dieser Chitin-Protein-Fasern innerhalb einer Kutikula-Schicht ist stark mit den mechanischen Eigenschaften der Kutikula korreliert. Dementsprechend ist während des Wachstums von Kutikula eine präzise Kontrolle der Chitin-Faser-Orientierung äußert wichtig. Bislang sind die Mechanismen der lokalen Kontrollmechanismen der Chitin-Orientierung in der Kutikula von Arthropoden kaum verstanden. Insbesondere ein mögliches Zusammenspiel von zellulär-bestimmten und möglichen selbstorganisierenden Prozessen der Faser-Orientierung ist nicht verstanden. Wie können Arthropoden während des Wachstums die Orientierung der Chitin-Fasern präzise auf einer Nanometer-Skala kontrollieren?Um diese grundlegenden Fragen zu beantworten schlagen wir hier ein interdisziplinäres Projekt vor, das die Chitin-Orientierung in Kutikula umfassend auf mehren hierarchischen Ebenen untersucht. Heuschrecken und andere Insekten produzieren Kutikula mit sich abwechselnden, klar erkennbaren "Tag"- und "Nacht"-Schichten. In den Tag-Schichten sind Chitin-Fasern parallel zu einander orientiert, während in den Nacht Schichten helikoidal-orientierte Chitin-Fasern produziert werden. Durch die Kontrolle der Umgebungshelligkeit ist es möglich, die Orientierung der Chitin-Fasern in vivo zu kontrollieren. Indem wir Kutikula-Proben zu definierten Zeitpunkten vor, während und nach einer lichtabhängigen Orientierungsänderung nehmen, können wir zum ersten Mal eine detaillierte "quasi-Echtzeit"-Analyse der beiden Kutikula-Typen durchführen und zelluläre und biochemische Prozesse der Faserorientierung in Arthropodenkutikula im Detail untersuchen.