Nanoscale imaging of restricted cell membrane receptor diffusion
Creators: name: Tischer, Christian
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Year: 2005
Subjects: subject: Diffusion
subject: Membran
subject: Rezeptor
subject: Zelle
subject: Membrane
subject: Receptor
subject: Cell
subject: 530 Physik
subject: 29 Physik, Astronomie

description: In der vorliegenden Arbeit wurde eine neue bildgebende Methode zur Untersuchung der Diffusion in heterogenen Medien auf der Nanometerskala entwickelt (TNIM - Thermal Noise Imaging Microscopy). Die TNI-Mikroskopie wurde gezielt benutzt, um zu erforschen, ob die Beweglichkeit von Zellmembranrezeptoren durch laterale Nanostrukturen in der Membran beeinflusst wird. Bei der TNI-Mikroskopie wird die Diffusion eines Sondenpartikels mit Hilfe einer optischen Falle auf einen submikroskopischen Raumbereich limitiert und dort mit Nanometer räumlicher und Mikrosekunden zeitlicher Auflösung verfolgt. Damit kann die Position von diffusionsbehindernden Nanostrukturen bestimmt werden. Gleichzeitig wird erfasst wie die Mobilität des Partikels durch hydrodynamische Kopplung zu den beobachteten Strukturen beeinflusst wird. Mit Hilfe der TNI-Mikroskopie konnten existierende hydrodynamische Theorien, die die dreidimensionale Mobilität einer Kugel für unterschiedliche Abstände zu einer Grenzfläche beschreiben, mit bisher unerreichter Genauigkeit bestätigt werden. Für die zweidimensionalen Diffusionsmessungen in der Zellmembran wurde ein Nanopartikel an den epidermalen Wachstumsfaktorrezeptor (EGFR - Epidermal Growth Factor Receptor) gebunden. Die Analyse der Partikelbewegung zeigte nanoskopische Areale, die die Diffusion des Rezeptors stark beschränken, wobei sich die Position und Größe der unzugänglichen Areale im Sekundenbereich verändern kann. Der Vergleich mit einem lipidverankertem Protein ergab, dass die Areale vom beobachteten Protein abhängig sind. Des Weiteren wurden deutliche Hinweise darauf gefunden, dass die Diffusion des Rezeptors auf der Nanometerskala von der Lipiddoppelschichtstruktur der Zellmembran dominiert, auf Mikrometerskala jedoch durch die unzugänglichen Areale stark verlangsamt wird. Im letzten Teil der Arbeit wird analysiert wie die Beschränkung der Rezeptormobilität dessen Aktivierungskinetik und die laterale Informationsausbreitung in der Membran beeinflusst.
description: In the work presented, a novel imaging technique was developed for the purpose of studying diffusive motion in heterogeneous media on the nanometer scale (TNIM - Thermal Noise Imaging Microscopy). TNI-Microscopy was specifically used to investigate if there exist lateral nanostructures that restrict the mobility of receptor proteins in cell membranes. In TNI-Microscopy, the diffusion of a nanoparticle is limited by an optical trap to a small region. Within this region the diffusion of the particle is tracked with nanometer spatial and microsecond temporal resolution. Thus, the position of nanoscopic structures that restrict diffusion can be determined. Furthermore, it is also recorded how the mobility of the particle is influenced by hydrodynamic coupling to the sampled structures. Using TNI-Microscopy, existing hydrodynamic theories that describe the three-dimensional mobility of a sphere at nanoscopic distances to an interface could be validated with unsurpassed accuracy. For two-dimensional diffusion measurements in the cellular plasma membrane, a nanoparticle was coupled to the epidermal growth factor receptor (EGFR). The analysis of the particle’s motion revealed nanoscopic membrane areas that strongly restrict the diffusion of the receptor. Furthermore, it was possible to observe that these inaccessible areas change shape and position on the second time scale. The comparison with a lipid anchored protein showed that the characteristics of these areas depend on the observed protein. Evidence is presented that the diffusion of the receptor on the nanometer scale is dominated by the lipid bilayer structure of the cell membrane, whereas its mobility on the micrometer scale is severely slowed by the observed nanoscopic membrane heterogeneities. In the last part of this work it is analyzed how the restricted receptor mobility influences its activation kinetics and the lateral spreading of a signal within the plane of the plasma membrane.