Modellierung und Simulation von bakterieller Adhäsion und intrazellulärem Transport in realer Geometrie

Abstract

In dieser Arbeit wurden zwei Themenkomplexe behandelt, die Entwicklung eines Modells für intrazellulären Transport in realer Geometrie und die Adhäsion von Staphylococcus aureus auf abiotischen Oberflächen. Beide Vorgänge sind von hoher Bedeutung im medizinischen Bereich. Für das Transportmodell wurde aus Mikroskopieaufnahmen einer Zelle die Form der Zellmembran rekonstruiert und die erhaltene Oberfläche trianguliert. Kombiniert mit einem Modell des Zytoskeletts und einem Modell für molekulare Motoren liefert dieses System ein einfaches Modell einer Zelle mit dem fundamentale Prozesse wie Transportvorgänge oder die Bildung von Membranröhren untersucht werden können. Dieses System liefert damit einen Beitrag auf dem Weg zur Entwicklung eines vollständigen Zellmodells. Die Adhäsion von Staphylococcus aureus wurde mittels eines kombinierten Ansatzes aus Experiment und Simulationen untersucht. Die Experimente bestanden aus AFM Kraftspektroskopie einzelner Bakterienproben. Basierend auf den Experimenten wurde ein vereinfachtes Modell der Adhäsion entwickelt und mit Hilfe von Monte Carlo Simulationen untersucht. Dieser Ansatz ermöglichte ein tieferes Verständnis des Adhäsionsprozesses. Die Anhaftung funktioniert über Proteine in der Membran des Bakteriums. Diese Proteine binden in großer Zahl an der Oberfläche, die Stärke und Reichweite der Bindung ist dabei von Parametern wie der Zahl der bindenden Proteine, der Tiefe und Reichweite des Oberflächenpotentials oder der Länge der Proteine abhängig.

In this thesis, two subjects are treated, the development of a model for intracellular transport in a real geometry and the adhesion of Staphylococcus aureus on abiotic surfaces. Both processes are of high importance in the medical area. The transport model is based on the reconstruction of the membran of a real cell using microscopy images. The received shape was triangulated und combined with a model of the cytoskeleton and a model for molecular motors. This gives a simplified model of a cell which can be used to analyze fundamental processes like transport or the formation of membran tubes. Thus, this system gives a contribution on the way to develop a full cell model. The adhesion of Staphylococcus aureus was studied using a combined approach of experiments and simulations. The experiments consist of AFM force spectroscopy of single bacteria cells. Based on these experiments a simplified adhesion model was developed and analyzed using Monte Carlo simulations. This approach gave a deeper understanding of the adhesion process. The adhesion works via proteins anchored in the bacterial membrane. A large number of these proteins bind to the surface, the strenght and range of this binding depends on parameters such as the number of binding proteins, the depth and range of the surface binding potential and the size of the proteins.