Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6613
Main Title: Physical minimal models of amoeboid cell motility
Translated Title: Physikalische minimale Modelle von amobioder Zellbewegung
Author(s): Kulawiak, Dirk Alexander
Advisor(s): Engel, Harald
Referee(s): Engel, Harald
Bär, Markus
Beta, Carsten
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Cell locomotion plays an important role in many biological processes such as the immune system, embryonic development, or cancer metastasis. In these examples, cells interact with their environments or coordinate their movements with other cells, creating collective behavior. In this thesis, we utilize minimal modeling to investigate single and collective cell motility in three different settings. The key question we strive to answer is whether cell locomotion is a physical process that can function without the biochemistry that controls it. First, we examine contact inhibition of locomotion (CIL), which is one of the ways that cells interact. In experiments, cell migration can be restricted to quasi-one-dimensional stripes. In these stripes, head-on collisions of two cells occur frequently with only a few outcomes, such as cells reversing their directions, sticking to one another, or walking past each other. By utilizing a phase field model that includes the mechanics of cell shape and a minimal chemical model for CIL, we are able to reproduce all cases seen in these collisions. In addition, we found qualitative agreements such as the occurrence of ``cell trains''. Next, we investigate cells migrating on substrates with heterogeneous rigidity. By utilizing substrate configurations where cells with varying propulsion strength and membrane stiffness behave differently, we demonstrate that heterogeneous substrates are able to sort and distinguish those cells. Further, we investigate collective interactions and reproduce collective phenomena such as persistent rotational motion. We then study flow-driven amoeboid motility that is exhibited by microplasmodia of physarum. This motion is caused by a feedback loop between a chemical regulator, active mechanical deformations, and induced flows that give rise to spatio-temporal contraction patterns. We develop a poroelastic model consisting of two phases: (1) an active viscoelastic gel representing the cytoskeleton, that is permeated by (2) a fluid depicting the cytosol. Our model incorporates active contractions of the gel that are controlled by calcium. In turn, the calcium is advected with the fluid. By using free boundary conditions, nonlinear substrate friction and a nonlinear reaction kinetic for the calcium regulator, we reproduce the oscillatory motion of these microplasmodia with a net motion in each cycle. We demonstrate in all three cases that we can reproduce experimental behavior with these minimal models. This substantiates our assumption that some aspects of cell motility can be thought of as a ``physical machine'' that is controlled by the cell's biochemistry but can operate without it.
Zellbewegung ist die Grundlage vieler biologischer Vorgänge. Beispiele sind das Immunsystem, die Entwicklung von Embryonen und metastasierender Krebs. In diesen Beispielen wechselwirken Zellen mit ihrer Umgebung oder kooperieren untereinander, wodurch kollektive Bewegung entsteht. Mit Hilfe von Minimalmodellen versuchen wir zu beantworten, ob Zellbewegung durch physikalische Prozesse erklärbar ist, welche durch die Biochemie der Zelle gesteuert werden, aber auch ohne sie funktionieren können. Zuerst analysieren wir die Interaktion von Zellen über contact inhibition of locomotion (CIL). In Experimenten kann Zellbewegung auf quasi-eindimensionale Streifen beschränkt werden. Dadurch kommt es zu frontalen Zell-Zell-Kollisionen, bei denen es nur wenige mögliche Ergebnisse gibt: Beide Zellen drehen um oder die Zellen haften aneinander bzw. quetschen sich aneinander vorbei. Zur Modellierung dieser Kollisionen benutzen wir ein Phasenfeld-Modell, welches die Zellform berücksichtigt und einen minimalen Ansatz für CIL beinhaltet. Damit können wir alle Kollisionsergebnisse reproduzieren. Als nächstes untersuchen wir Zellbewegung auf Substraten mit heterogener Steifheit. Wir identifizieren Heterogenitäten, bei denen sich Zellen mit unterschiedlicher Membransteifigkeit oder Vortriebsstärke unterschiedlich verhalten und nutzen dies, um Zellen zu sortieren. Zusätzlich untersuchen wir kollektive Zellbewegung und reproduzieren einige kooperative Phänomene, z.B. persistente Rotation und stabile Zellpaare, deren Bewegung von einer der Zellen gesteuert wird. Im letzten Kapitel betrachten wir die Bewegung von Mikroplasmodien (MP). Deren Bewegung entsteht durch eine Rückkopplungsschleife zwischen einem chemischen Regulator und aktiver mechanischer Kontraktion, welche zur Ausbildung von raum-zeitlichen Mustern führt. Wir entwickeln ein poroelastisches Zweiphasen-Modell, dessen erste Phase das aktive viskoelastische Cytoskelett beschreibt. Dieses ist vom Cytosol, die zweite viskose Phase im Modell, durchdrungen. Unser Modell beinhaltet aktive Kontraktionen des Gels, welche von Kalzium reguliert werden. Kalzium wird wiederum mit dem Fluid advektiert. Mit freien Randbedingungen, nichtlinearer Substratreibung und Reaktionskinetik für Kalzium können wir die oszillatorische Bewegung von MP reproduzieren. Im Besonderen identifizieren wir die nötigen Voraussetzungen für gerichtete Netto-Bewegung. In allen behandelten Beispielen können wir experimentelles Verhalten mit minimalen Modellen reproduziert. Dies untermauert unsere Annahme, dass einige Aspekte von Zellbewegung durch physikalische Prozesse erklärbar sind, welche von der Biochemie der Zelle gesteuert werden, aber auch ohne sie funktionieren.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/7349
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6613
Exam Date: 23-Oct-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 22-Jan-2018
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): cell motility
contact inhibition of locomotion
biophysical simulations
Physarum polycephalum
collective cell motility
Zell-Bewegung
biophysikalische Simulationen
kollektive Zell-Bewegung
Sponsor/Funder: DFG, GRK 1558, Nonequilibrium Collective Dynamics in Condensed Matter and Biological Systems
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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