Echtzeit-Kontrolle der Dynamik eines Si­gnal­netz­werks mit Licht

In der neuen Studie setzt die Dehmelt Gruppe Mikroskopie-basierte, Licht-schaltbare Störungsmethoden ein, um ein Signalnetzwerk, welches die Zellkontraktion steuert, gezielt und akut in einzelnen, lebenden Zellen zu manipulieren. Gleichzeitig wurde die dynamische Antwort dieses Si­gnal­netz­werks gemessen, um Rückschlüsse auf die Signalverarbeitung in Zellen zu ermöglichen. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde ein theoretisches Modell erstellt, welches die Komponenten und Interaktionen des Si­gnal­netz­werks quantitativ beschreibt. Ein zentraler Aspekt dieses Netzwerks sind positive und negative Rückkopplungs-Schleifen, welche hoch-dynamische Zellkontraktions-Pulse generieren, die in zahlreichen physiologischen Prozessen beobachtet werden. Das theoretische Modell ermöglichte Vorhersagen, wie die Dynamik dieses Si­gnal­netz­werks auf gezielte Störungen der Rückkopplungs-Schleifen reagiert. Mithilfe einer licht-basierten Fein-Abstimmung des Si­gnal­netz­werks in einzelnen lebenden Zellen konnten diese Vorhersagen bestätigt werden. Durch diese Technik, welche als „Optogenetic Tuning“ bezeichnet wird, hat die Dehmelt Gruppe ent­deckt, dass das Signalnetzwerk besonders intensive Kontraktionspulse bei mittleren Konzentrationen des Signalproteins GEF-H1 generiert. Solche Pulse spielen insbesondere in der Embryonalentwicklung eine wichtige Rolle. Die Sensitivität des Si­gnal­netz­werks, um mechanische und biochemische Signale zu verarbeiten ist hingegen bei niedrigen Konzentrationen dieses Signalproteins maximal. Dieser Prozess, welcher als Mechanotransduktion bezeichnet wird, spielt zum Beispiel im Tumorwachstum eine wichtige Rolle. Die neuen theoretischen und experimentellen Erkenntnisse der Dehmelt Gruppe bilden die Grundlage um auch komplexere Prozesse in der Embryonalentwicklung und der Tumorentstehung besser zu verstehen.