Physical minimal models of amoeboid cell motility

dc.contributor.advisorEngel, Harald
dc.contributor.authorKulawiak, Dirk Alexander
dc.contributor.grantorTechnische Universität Berlinen
dc.contributor.refereeEngel, Harald
dc.contributor.refereeBär, Markus
dc.contributor.refereeBeta, Carsten
dc.date.accepted2017-10-23
dc.date.accessioned2018-01-22T10:12:35Z
dc.date.available2018-01-22T10:12:35Z
dc.date.issued2017
dc.description.abstractCell 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.en
dc.description.abstractZellbewegung 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.de
dc.description.sponsorshipDFG, GRK 1558, Nonequilibrium Collective Dynamics in Condensed Matter and Biological Systemsen
dc.identifier.urihttps://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/7349
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6613
dc.language.isoenen
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/en
dc.subject.ddc530 Physikde
dc.subject.othercell motilityen
dc.subject.othercontact inhibition of locomotionen
dc.subject.otherbiophysical simulationsen
dc.subject.otherPhysarum polycephalumen
dc.subject.othercollective cell motilityen
dc.subject.otherZell-Bewegungde
dc.subject.otherbiophysikalische Simulationende
dc.subject.otherkollektive Zell-Bewegungde
dc.titlePhysical minimal models of amoeboid cell motilityen
dc.title.translatedPhysikalische minimale Modelle von amobioder Zellbewegungde
dc.typeDoctoral Thesisen
dc.type.versionacceptedVersionen
tub.accessrights.dnbfreeen
tub.affiliationFak. 2 Mathematik und Naturwissenschaften::Inst. Theoretische Physik::FG Statistische Physik weicher Materie und biologischer Systemede
tub.affiliation.facultyFak. 2 Mathematik und Naturwissenschaftende
tub.affiliation.groupFG Statistische Physik weicher Materie und biologischer Systemede
tub.affiliation.instituteInst. Theoretische Physikde
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