Über die Kontraktionsdynamik des Aktomyosinnetzwerkes in vitro

Abstract

In dieser Arbeit widmen wir uns der theoretischen Beschreibung der Kontraktionsdynamik des Aktomyosinnetzwerkes in vitro. Aktinfilamente zusammen mit ihren assoziierten Myosinmotoren stellen einen Hauptbestandteil des Zytoskeletts, eines fadenartigen Netzwerkes von Polymeren innerhalb der Zelle, dar. Seine Beteiligung an zahlreichen inter- und intrazellulären Prozessen macht das Zytoskelett zu einem Thema vieler aktueller Forschungsarbeiten. Motiviert durch in vitro Experimente an quasi-zweidimensionalen, kontrahierenden Netzwerken aus Aktinfilamenten wurde in der vorliegenden Arbeit eine hydrodynamische, kontinuierliche Beschreibung im Rahmen der Nichtgleichgewichtsthermodynamik entwickelt. Die numerischen Lösungen der so gewonnenen Gleichungen stimmen in zahlreichen Facetten wie z. B. Geschwindigkeits- und Dichteprofilen mit der experimentell beobachteten Kontraktionsdynamik überein. Die explizite Berücksichtigung der sog. Catch-bond-Eigenschaft des Myosins, d. h. die Bindungsverstärkung unter Last, ist dabei von entscheidender Bedeutung. Darüber hinaus tritt im Experiment eine sog. Buckling-Instabilität auf, die zu wellenartigen Mustern führt. Dieses Verhalten wurde mit Hilfe einer Beschreibung als Teppich aus elastischen Federn analysiert.

In this work, we adress the theoretical description of the actomyosin network’s in vitro contraction dynamics. Actin filaments, together with their associated myosin motors, form an integral part of the cytoskeleton, a fibrous polymer network inside the cell. Due to its vital role in numerous inter- and intracellular processes, the cytoskeleton has been subject of many recent scientific efforts. Motivated by in vitro experiments on contracting, quasi twodimensional actomyosin sheets, we developed a hydrodynamic continuum description, using nonequilibrium thermodynamics. Our numerical solutions agree with the experimentally observed contraction dynamics in many aspects, such as density and velocity profiles. Here, the explicit incorporation of the myosin’s catch bond characteristics, i. e. the strengthening of its bonds under load, was of key importance. Furthermore, the experimental system displayed a buckling instability, resulting in wave-like patterns. We analysed this behaviour by means of a theoretical description as a carpet of elastic springs.