Das WIN-Kolleg
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einfaches Zusammenspiel zwischen Gewebemechanik und Morphogen-Produktion
zu spontanem Symmetriebruch fuhren kann. Das bedeutet, dass ein regelmäßiges
Muster von Körperachsenorganisatoren gebildet wird. Ausführliche Parameterstudien
des Modells zeigten, dass bspw. ein positiver Feedback-Loop zwischen Gewebe-
krümmung und Morphogenproduktion dafür ausreichend ist, um eine Vielzahl an
Krümmungs- und Morphogenmustern zu erzeugen. Unsere Ergebnisse legen nahe,
dass das direkte Feedback von der Gewebemechanik zur Genexpression der Schlüs-
sel zum Verständnis vieler Entwicklungsprozesse sein könnte, die sich rein chemisch
über differentielle Verteilung von Morphogenen und deren Inhibitoren (wie z.B.
durch Turing-Mechanismen) nicht erklären lassen.
Auch wurde die Engführung zwischen mathematischem Modell und Experi-
menten an Hydra-Zellaggregaten weiter intensiviert. Bspw. wurden Wnt-Überex-
pressions-Zellaggregate mit Wildtyp-Zellaggregaten in Experimenten fusioniert
sowie dasselbe Szenario modelliert und simuliert. Im Vergleich zwischen Experi-
menten und Simulationen war hierbei ein hohes Maß an Übereinstimmung zu
beobachten.
Viele weitere vergleichende Experimente zum Überprüfen des vorgeschla-
genen Mechanismus in Hydra-Zellaggregaten gestalteten sich als technisch sehr
anspruchsvoll. Aus diesem Grund entwickelten wir parallel zur Etablierung dieser
Experimente weitere theoretische Modellansätze, um beim Funktionieren dieser
Experimente möglichst verschiedene Modelle testen zu können. Dieses Modell
basiert wieder auf der Minimierung von geeigneten Energiefunktionalen und ist mit
der Formulierung des bisherigen Modells kompatibel, so dass Komponenten aus bei-
den Modellen einfach zu einem Modell kombiniert werden können.
1.3. Gradientenbildung und Strukturierung in festkörpergestützten Membranen.
Wir haben in früheren Untersuchungen dieses Projektes gezeigt, wie festkörperge-
stützte, funktionalisierte Lipidmembranen als Substrate für die Kultivierung von ani-
malen Kappen aus Xenopns-Embryonen geeignet sind.
Hier zeigen wir, wie die räumliche Verteilung der Funktionalitäten gesteuert
werden kann. Eine Möglichkeit dazu besteht über die kontrollierte Bildung von
Konzentrationsgradienten auf der Oberfläche. Dieses wird erreicht, indem man ein
schwaches tangentiales elektrisches Feld von 10—30V/cm für 30—60 Min anwendet,
was zur elektrophoretischen Anhäufung von Membran-gekoppelten Molekülen an
einer vorher eingesetzten Diffusionbarriere führt (Abb. 1). Der erzeugte Gradient
kann dann „eingefroren“ werden, indem man die Temperatur der Membran unter-
halb der Flüssig-zu-Gel Übergangstemperatur der Matrixlipide senkt (in diesem Fall
23.8°C). Da in der Gelphase keine laterale Diffusion der Phospholipide vorhanden
ist, konnten wir nachweisen, dass der Konzentrationsgradient bei 16°C für mehr als
24 Stunden nicht verloren geht, wenn das angewandte elektrische Feld ausgeschaltet
wird.
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einfaches Zusammenspiel zwischen Gewebemechanik und Morphogen-Produktion
zu spontanem Symmetriebruch fuhren kann. Das bedeutet, dass ein regelmäßiges
Muster von Körperachsenorganisatoren gebildet wird. Ausführliche Parameterstudien
des Modells zeigten, dass bspw. ein positiver Feedback-Loop zwischen Gewebe-
krümmung und Morphogenproduktion dafür ausreichend ist, um eine Vielzahl an
Krümmungs- und Morphogenmustern zu erzeugen. Unsere Ergebnisse legen nahe,
dass das direkte Feedback von der Gewebemechanik zur Genexpression der Schlüs-
sel zum Verständnis vieler Entwicklungsprozesse sein könnte, die sich rein chemisch
über differentielle Verteilung von Morphogenen und deren Inhibitoren (wie z.B.
durch Turing-Mechanismen) nicht erklären lassen.
Auch wurde die Engführung zwischen mathematischem Modell und Experi-
menten an Hydra-Zellaggregaten weiter intensiviert. Bspw. wurden Wnt-Überex-
pressions-Zellaggregate mit Wildtyp-Zellaggregaten in Experimenten fusioniert
sowie dasselbe Szenario modelliert und simuliert. Im Vergleich zwischen Experi-
menten und Simulationen war hierbei ein hohes Maß an Übereinstimmung zu
beobachten.
Viele weitere vergleichende Experimente zum Überprüfen des vorgeschla-
genen Mechanismus in Hydra-Zellaggregaten gestalteten sich als technisch sehr
anspruchsvoll. Aus diesem Grund entwickelten wir parallel zur Etablierung dieser
Experimente weitere theoretische Modellansätze, um beim Funktionieren dieser
Experimente möglichst verschiedene Modelle testen zu können. Dieses Modell
basiert wieder auf der Minimierung von geeigneten Energiefunktionalen und ist mit
der Formulierung des bisherigen Modells kompatibel, so dass Komponenten aus bei-
den Modellen einfach zu einem Modell kombiniert werden können.
1.3. Gradientenbildung und Strukturierung in festkörpergestützten Membranen.
Wir haben in früheren Untersuchungen dieses Projektes gezeigt, wie festkörperge-
stützte, funktionalisierte Lipidmembranen als Substrate für die Kultivierung von ani-
malen Kappen aus Xenopns-Embryonen geeignet sind.
Hier zeigen wir, wie die räumliche Verteilung der Funktionalitäten gesteuert
werden kann. Eine Möglichkeit dazu besteht über die kontrollierte Bildung von
Konzentrationsgradienten auf der Oberfläche. Dieses wird erreicht, indem man ein
schwaches tangentiales elektrisches Feld von 10—30V/cm für 30—60 Min anwendet,
was zur elektrophoretischen Anhäufung von Membran-gekoppelten Molekülen an
einer vorher eingesetzten Diffusionbarriere führt (Abb. 1). Der erzeugte Gradient
kann dann „eingefroren“ werden, indem man die Temperatur der Membran unter-
halb der Flüssig-zu-Gel Übergangstemperatur der Matrixlipide senkt (in diesem Fall
23.8°C). Da in der Gelphase keine laterale Diffusion der Phospholipide vorhanden
ist, konnten wir nachweisen, dass der Konzentrationsgradient bei 16°C für mehr als
24 Stunden nicht verloren geht, wenn das angewandte elektrische Feld ausgeschaltet
wird.