Biomechanics of prokaryotic & eukaryotic cytoskeletal model systems probed by time multiplexed optical tweezers Zusammenfassung: Aus der Sichtweise eines Ingenieurs besteht der menschliche Körper aus einem steifen tragenden Gerüst (Skelett) welches durch zusammenziehbare Bündel (Muskeln) in Form gebracht und bewegt werden kann. Verbindungselemente (Sehnen Gelenke) und verschiedene Maschinen (Organe) dienen dessen Unterstützung und Versorgung. Obwohl die jeweiligen Strukturen und Mechanismen verschieden sind gilt dasselbe Konzept auch für einzelne Zellen. Mechanisch werden Zellen von einer filamentartigen Struktur genannt Zytoskelett dominiert. Dies ist eine genau abgestimmte hochdynamische Maschine die in fast allen essentiellen Prozessen im Leben einer einzelnen Zelle eine wichtige Rolle spielt. Beispiele hierfür sind etwa die Fortbewegung und Zellteilung. Fehlfunktionen des Zytoskeletts gehen häufig mit schweren Erkrankungen einher dennoch sind viele grundlegende Prozesse erst wenig verstanden. Im Zuge unterschiedlicher wissenschaftlicher Fragestellungen beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit zwei verschiedenen zytoskelettbasierten Modellsystemen die mit Hilfe von zeitlich gemultiplexten optischen Pinzetten untersucht werden.Optische Pinzetten nutzen stark fokussiertes Laserlicht um mikrometergroße Objekte zu fangen und zu manipulieren. Neben ihrer vielseitigen und weitreichenden Anwendung in vielen biophysikalischen Fragestellungen der letzten Jahre wurden sie hauptsächlich in Kombination mit sphärischen Sonden in statischen Konfigurationen benutzt. Dynamische bzw. zeitlich gemultiplexte Pinzetten werden durch schnelles Verfahren der Falle zwischen verschiedenen Fokuspositionen erzeugt. Dadurch können im zeitlichen Mittel nahezu beliebige Fallenkonfigurationen erzeugt werden.Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wird ein linear oszillierender Focus genutzt um ein helikales Bakterium zu fangen und dessen Windungen abzubilden. Technische Aspekte werden dabei analytisch beschrieben experimentell überprüft und mit Simulationen verglichen. Hierauf basierend wird dann die Dynamik der Fortbewegung einzelner Bakterien in verschiedenen experimentellen Situationen analysiert und dies als Basis zur Entwicklung eines biophysikalischen Models verwendet welches den zugrundeliegenden krafterzeugenden molekularen Motor beschreibt. Dieser Motor ist einzigartig in der Natur. Seine Funktionsweise ist bisher nicht verstanden könnte aber wichtige Auswirkungen auf die Konstruktion von sich autonom fortbewegenden künstlichen Mikromasc ... Zusammenfassung: From an engineer’s perspective the human body is a stiff load bearing scaffold (skeleton) kept in shape and actuated by contractile bundles (muscles) supported by connecting elements (e.g. tendons or joints) and supplied by different engines (organs). The same concept holds for single cells although structure and mechanisms are different. Mechanically single cells are dominated by a filamentous structure called cytoskeleton; a precisely tuned highly dynamic machine involved in nearly all essential processes in the life of a single cell e.g. cell movement or proliferation. Even though a malfunctioning is often related to severe diseases most of its basic functions are still poorly understood. The present work investigates two different cytoskeletal model systems by time multiplexed optical tweezers configurations pursuing different scientific objectives.Optical tweezers make use of focused laser light to trap and manipulate micron sized objects. Besides their versatile and far reaching application to numerous biophysical problems in recent years they have mainly been used in combination with spherical probes in a static manner. Dynamical or time multiplexed optical tweezers are created by rapidly scanning the optical trap between different focal positions to generate nearly arbitrary time shared trapping configurations.In the first part of the present thesis a line scanning focus is used to trap helically shaped bacteria by a light tube and to image individual positions of their windings. Technical aspects are described analytically verified experimentally and compared to simulations. Based on this technique the dynamics of the swimming pattern of single bacterial cells is then studied under different conditions and used as basis to develop a biophysical model describing their cytoskeleton based molecular motor generating propulsion forces. This motor is unique in nature its detailed functioning is yet unknown but may have an important impact on constructing artificial micron sized machines able to move autonomously. In the second part of this thesis a grid of multiplexed tweezers is used to flexibly construct probe and analyze synthesized cytoskeletal networks with a defined topology in a bottom up approach. In the light of understanding force sensing and transmission inside eukaryotic cells micro rheology techniques are used to study the viscoelastic frequency dependent response of different networks to an applied ...