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Authors: Bartelt, Solveig Mareike
Title: Light-controlled adhesion and dynamic processes in lipid vesicles
Online publication date: 11-Feb-2019
Language: english
Abstract: The aim of bottom-up synthetic biology is to use molecular building blocks to create synthetic cells and to mimic cell functions. In biological cells, many of their cellular functions arise directly from both the spatial and temporal control of fundamental processes. Examples of these controlled events are the formation of protein patterns at the cellular and multicellular scale and cell adhesion during motility and tissue development. When mimicking these functions in minimal synthetic cells, visible light can be used as a trigger to provide the required high spatiotemporal control with the added advantage of it being non-invasive, biocompatible and dynamic. Dynamic protein patterns are fundamental in cell signaling, cell division, cell migration, and tissue formation and are tightly regulated. To replicate and control the formation of protein patterns in a minimal synthetic cell, I used the light switchable protein dimer iLID, which interacts with its binding partners Micro or Nano under blue light conditions and dissociates from them in the dark. For this purpose, iLID was immobilized on giant unilaminar vesicles (GUVs), which were used as a minimal cell model. Illuminating these GUVs with blue light leads to the recruitment of a Nano fused proteins of interest and their subsequent dissociation when the light trigger is turned off. The iLID-Nano interaction allowed for the patterning proteins over multiple cycles and on different scales, from sub-GUV level to a single vesicle and to tissue-like GUV assemblies. During cell motility, the cell adheres asymmetrically to a surface with new adhesions forming at the front and adhesions that dissemble at the back. The iLID-Micro dimer was used to imitate motility in a minimal synthetic cell through the light-guided movement of GUVs. This was achieved by controlling adhesions both at the subcellular scale and over time with light. For this purpose, iLID was immobilized on a glass surface to mimic the extracellular matrix with Micro attached to a GUV to mimic the cell adhesion receptor. The iLID-Micro interaction was strong enough to induce GUV adhesion to the surface under blue light, which reversed in the dark, as witnessed by the changing adhesion energies and length of adhesion site. The high spatiotemporal control of light was used to create stronger adhesion in areas exposed to light and weaker adhesions in areas left in the dark. This asymmetry in adhesion led to movement of the vesicle towards the illuminated regions in a manner similar to cell migration. Displacement of the GUV over multiple cycles at a speed close to that seen in mammalian cell motility allowed guiding the GUV over tens of micrometers in different directions. The interaction between cells through their adhesion is important for the building of larger tissues from single cells, for the organization of cells within their environment, and for communication between them. The blue light dependent interaction of iLID and Nano was employed to control cell-cell adhesions between two populations of GUVs functionalized with these proteins respectively. When mixed together in close proximity, blue light illumination triggered the adhesion of the different subpopulations of vesicles. The interaction was strong enough that the adhered vesicles withstood mechanical stresses like laminar flow, but not strong enough to induce fusion of the lipid bilayers. Overall, the blue light triggered interaction of iLID with Micro and Nano, is a valuable new tool in bottom-up synthetic biology for mimicking cell functions where dynamic control in time and space is required. Not only does it provide a general way to pattern proteins of interest and control interactions between different minimal cells but it also allows for reproducing the dynamic asymmetry in adhesion observed during cell motility and guiding the movement of a vesicle with visible light.
Das Ziel der „Bottom-up“-synthetischen Biologie ist es, minimale, synthetische Zellen aus molekularen Bausteinen zusammenzufügen, um Zellfunktionen zu imitieren. In der Biologie rühren viele zelluläre Funktionen von der räumlichen und zeitlichen Kontrolle von Zellprozessen her. Beispiele dieser streng kontrollierten Prozesse ist die Bildung von Proteincluster auf zellulärer und multizellulärer Ebene, die Zelladhäsion an Oberflächen während Zellmigration und Zell-Zellinteraktionen bei der Bildung von Geweben. Um diese Funktionen in einer synthetischen Zelle zu imitieren, bietet sichtbares Licht die benötigte Kontrolle, ist biokompatibel und dynamisch. Dynamische, mikrometergroße Proteincluster spielen eine fundamentale Rolle in Signaltransduktion, Zellteilung, Migration und Gewebeaufbau und sind daher streng kontrolliert. Um solche Cluster in synthetischen Zellen mit derselben Kontrolle nachzuahmen, wurde die Interaktion des lichtschaltbaren Dimers iLID, welches in blauem Licht mit deinem Interaktionspartner Nano oder Micro interagiert, ausgenutzt. Diese Interaktion ist im Dunklen umkehrbar. iLID wurde dafür auf „Giant Unlimellar Vesicles“ (GUVs), ein oft genutztes Modell für minimale Zellen, immobilisiert. Aktivierung von iLID durch blaues Licht führt zur Rekrutierung von einem an Nano gebundenem Protein an das GUV und dessen Dissoziieren im Dunkeln. Die iLID-Nano Proteinrekrutierung kann nach Bedarf von einzelnen Vesikeln auf Vesikelteppiche übertragen werden. Während einer Zellmigration adhäriert die Zelle asymmetrisch an das Substrat mit starker Adhäsion an der vorderen Seite der Zell und mit schwacher Adhäsion am hinteren Ende. Das Proteinpaar iLID-Micro wurde benutzt, um Zellmigration in einer minimalen synthetischen Zelle zu imitieren. Dabei wurde die Adhäsion auf subzelullarer Ebene kontrolliert, um das Vesikel mit Licht zu führen. iLID, welches immobilisiert auf dem Substrat ist, stellt dabei die extrazelluläre Matrix dar, Micro, welches auf dem GUV immobilisiert ist, dagegen die Zelladhäsionsrezeptoren. Die Proteininteraktion war stark genug, um Vesikeladhäsion an eine Oberfläche mit blauem Licht zu induzieren. Dies spiegelt sich in der Änderung der Adhäsionsenergie und der Adhäsionslänge wieder. Durch die Kontrolle, die Licht bietet, konnte ein definierter Teil des GUVs mit Licht aktiviert werden, um in diesem Bereich starke Adhäsion zu induzieren, während die unbeleuchteten Bereiche nur schwach adhäriert waren. Diese asymmetrische Adhäsion führte zur Migration des Vesikels in den beleuchteten Bereich. Die Migration war über mehrere Zyklen konstant mit einer Geschwindigkeit ähnlich der von Säugetierzellen. Die Interaktion zwischen Zellen ist notwendig, um Gewebe aus Einzelzellen aufzubauen, sie ist aber auch nötig für die Zellorganisation und die Kommunikation zwischen Zellen. Um Zell-Zellinteraktionen zu induzieren, wurden zwei Populationen von Vesikeln mit iLID und Nano funktionalisiert. Wenn diese unter blauem Licht in engen Kontakt kommen, adhärieren die Vesikel und dissoziieren wieder im Dunkeln. Die Interaktion widersteht laminarer Strömung, ist aber nicht stark genug, um Fusion herbeizuführen. Das lichtaktivierbare iLID hat sich als wertvolles Werkzeug erwiesen, welches zeitliche und räumliche Kontrolle über den Trigger bietet, um Zellfunktionen in eine synthetische Zelle zu implementieren. Es erlaubt nicht nur Proteincluster und kontrollierte Zell-Zell-adhäsion in synthetischen Zellen zu imitieren, sondern auch dynamische Asymmetrie zu generieren, wie sie in der Zellmigration vorkommt, um Vesikel durch Licht auf einer Oberfläche zu bewegen.
DDC: 540 Chemie
540 Chemistry and allied sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: Externe Einrichtungen
Place: Mainz
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use:
Extent: XII, 137 Seiten
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