title: Dynamics and Structure of Cellular Aggregation
title: Dynamik und Struktur zellulärer Aggregation
Creators: name: Bitter, Patrick
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2015
Subjects: Quantitative Biology
Flokkulation
Quantitative Biologie
Physics
Mathematical Modelling
Mathematische Modellierung
Flocculation

description: This work provides new insights
      into the dynamics and structure of cellular aggregation.
      Starting from cell motility which is necessary to get the
      cells into close proximity it presents new tools for
      visualization, analysis and modeling of aggregation
      processes. While a lot of work has been done in the field of
      microbial and amoeboid motility, there is a lack in
      theoretical understanding of mammalian cell motion,
      especially concerning directed migration stirred by external
      cues. To close this gap I developed a two-dimensional generic
      model based on mechanical cell-substrate interactions. This
      model facilitates the discrete nature of the motion cycle of
      mammalian cells by a randomized growth of protrusions and
      their retraction depending on the strength of an external
      cue. This model is capable of reproducing most experimental
      observations, especially the behavior at sharp changes in
      strength of the external cues, and provides an explanation
      for the attachment of the lagging cell pole as it increases
      the efficiency of gradient sensing. Furthermore, I introduce
      new experimental methods to visualize and analytical toolkits
      to analyze the structure of the highly irregular cell
      aggregates. These approaches were tested in two example
      cases: the two dimensional aggregation of mouse embryonic
      fibroblast (MEF)cells and the flocculation of S. cerevisiae
      mediated by the sugar-dependent adhesion protein Flo5. While
      it was possible to achieve temporal information of the MEF
      cell aggregation, the flocculation of S. cerevisiae is not
      accessible in this way. The time-lapse microscopy series
      indicate a subdivision of MEF cell aggregation into a
      spreading and a contraction phase. In addition, the data
      shows that there is a dependency of the aggregate’s structure
      on its size with a sharp transition from a linear dependency
      to a constant structure. The three-dimensional imaging of
      immobilized flocs using a confocal laser scanning microscope
      provided information about the structural properties of yeast
      flocs. The most important findings are that the flocs are
      self similar fractal structures and that cheater cells, i.e.
      cells that do not produce the necessary binding proteins but
      benefit from the altruistic behavior of producing cells, are
      largely underprivileged in the process. This indicates that,
      even though flo5 does not qualify as a “green beard gene” by
      definition, the benefits of the resulting altruistic behavior
      are strongly shifted in favor of the producing cells by the
      aggregation mechanism.
description: Die vorliegende Arbeit behandelt
      die Dynamik und Struktur der Aggregation von Zellen. Dabei
      spannt sie den Bogen von der Beweglichkeit auf der Ebene von
      Einzelzellen als Vorstufe von Aggregation zu deren Ergebnis,
      der Struktur der Zellaggregate. Im Bereich der Beweglichkeit
      von Mikroorganismen gibt es viele gut untersuchte Systeme.
      Als Beispiele seien hier das Schwimmen des Bakteriums E.
      coli˜und das Gleiten der Amöbe D. discoideum genannt.
      Allerdings gibt es nur wenige Arbeiten zur Beweglichkeit von
      Säugerzellen, insbesondere zu deren Reaktion auf externe
      Einflüsse. Um den Mechanismus dieser Zellmigration besser zu
      verstehen, habe ich ein generisches Modell entwickelt, das
      ausschließlich auf der mechanischen Wechselwirkung zwischen
      Zelle und Substrat basiert. Das Modell macht sich dabei die
      diskrete Natur des Bewegungszyklus von Säugerzellen zu Nutze.
      Die Grundidee ist ein zufälliges Auswerfen von Armen und ein
      Zusammenziehen, das von den externen Einflüssen, wie z.B. der
      Konzentration eines Pheromons abhängt. Dieses Modell ist in
      der Lage die meisten experimentellen Beobachtungen zu
      reproduzieren, dabei zeigt es insbesondere gute Ergebnisse
      für das Übertreten von scharfen Stufen in einer heterogenen
      Umgebung. Außerdem erklärt es das Festhalten des hinteren
      Zellpols an der Substratoberfläche: Die Fähigkeit einem
      Gradienten zu folgen wird dadurch stark verbessert. Der
      zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der quantitativen
      Analyse von Aggregaten. Dafür präsentiere ich neue
      experimentelle Methoden zur Visualisierung von Zellaggregaten
      und eine Zusammenstellung von Werkzeugen zu ihrer Analyse.
      Diese Ansätze wurden anhand von zwei Beispielen getestet: der
      Aggregation von Fibroblasten und der zuckersensitiven
      Flokkulation von S. cerevisiae . Für die zweidimensionale
      Aggregation der Fibroblasten war es möglich durch Videos auch
      die Dynamik des Aggregationsprozesses zu untersuchen. Dabei
      kristallisierte sich eine Zweiteilung des Prozesses heraus:
      Zuerst gibt es eine Phase, während der die Zellen sich
      strecken und die nach einiger Zeit in eine Kontraktionsphase
      übergeht. Außerdem zeigte sich, dass die Struktur der
      Aggregate (gemessen an deren fraktaler Dimension) abhängig
      ist von ihrer Größe. Dabei gibt es einen Übergang von einem
      linearen Anstieg der fraktalen Dimension mit der
      Aggregatsgröße zu einer konstanten fraktalen Dimension. Im
      Fall der Flokkulation von S. cerevisiae gibt läuft die
      Dynamik dieses drei dreidimensionalen Prozesses zu schnell ab
      um sie durch Videoaufnahmen zu bestimmen. Jedoch war es
      möglich durch konfokale Laser-Scan-Mikroskopie
      dreidimensionale Bilder der fixierten Flocken zu produzieren
      und ihre Struktur zu untersuchen. Die wichtigsten Ergebnisse
      hier sind die fraktale, selbstähnliche Struktur der Flocken
      und die starke Benachteiligung von Nicht Produzenten
      gegenüber von Produzenten des für die Flokkulation nötigen
      Bindeproteins Flo5. Dadurch werden diese sogenannten
      “Cheater” stark benachteiligt und ihr Wachstumsvorteil durch
      einen Nachteil bei der Positionierung in der Flocke
      abgemildert oder sogar kompensiert. Dieses Ergebnis legt
      nahe, dass auch wenn flo5 nicht die wörtliche Definition
      eines “Green Beard” Gens erfüllt, doch eine ähnliche
      Bevorzugung von Trägern des gleichen Gens (bzw. von
      Produzenten des Bindeproteins) vorliegt.