Fakultät für Physik - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 01/05

In dieser Arbeit werden Anwendungen der Kraftspektroskopie zur Erforschung

und Anwendung von nicht-kovalenten biologischen Bindungen vorgestellt.

Analysiert wurde die Bindungsstärke einzelner Rezeptor-Ligand Bindungen und

die Wechselwirkung von Zellmonolayern. Als Anwendung der molekularen

Erkennung wird die Lokalisation von Zellen auf Grund ihrer spezifischen

Wechselwirkung vorgestellt. Durch den Vergleich der Bindungskräfte mehrerer

Rezeptoren zu einem Liganden lassen sich Aussagen über die biologische

Wirkung und Aufgabe einer Rezeptor-Ligand Bindung treffen. Die Analyse der

Trennkurven von biologisch relevanten Zell/Zellmonolayer- oder großflächigen

Zell/Protein-Kontakten ergeben Einblicke in zeitliche Abläufe und involvierte

Proteine bei der Zelladhäsion.

• Dynamische Kraftspektroskopie mit drei verschiedenen Lektinen und zwei

Liganden zeigten, daß die jeweilige Bindungskraft in dem experimentell

zugänglichen Bereich der Ladungsrate über 3 Größenordnungen (100-10000

pN/sec) eine lineare Abhängigkeit vom Logarithmus der Ladungsrate

aufweist. Zusätzlich sind die einzelnen Rezeptor-Ligand Systeme auf Grund

ihrer Bindungsstärke bei Ladungsraten größer als 700 pN/sec eindeutig zu

unterscheiden. Die Bindungsstärke, die für das schwächste Paar 34 pN und

für das stärkste 58 pN bei 3000 pN/sec Ladungsrate beträgt, läßt sich in

Relation zur biologischen Wirkung setzen.

• Mit Monte Carlo und Wahrscheinlichkeitsdichte Simulationen konnte

wegen der experimentell gemessenen linearen Abhängigkeit der Bindungskraft

vom natürlichen Logarithmus der Ladungsrate die Breite oder

Reichweite des Bindungspotentials der jeweiligen Rezeptor-Ligand

Bindung bestimmt werden (4-10 Å). Die für die verschiedenen Bindungen

durchgeführten Simulationen zeigten, daß die berechnete Breite des

Potentials reziprok mit der gemessenen Dynamik der Bindungsstärke

korreliert.

• Am Beispiel von Uterusepithel- und Trophoblastzellen wurde gezeigt, daß

mit dem Kraftmikroskop die Bindungsfähigkeit von Zellen gemessen

werden kann. Experimente mit verschiedenen Modelloberflächen und die

Variation der Kontaktzeit machten deutlich, daß die Präsenz von

Rezeptoren für Zelladhäsionsproteine, wie z.B. Integrine für Fibronektin, in

der apikalen Membran und Kontaktzeiten länger als 20 min die notwendige

Voraussetzung für stabile interzelluläre Kontakte zwischen Epithelzellen

sind. Für kürzere Kontaktzeiten ist ein Modell mit nicht vernetzten,

membrangebundenen Bindungspartnern und deren möglicher viskoser

Anbindung an die Zelle erstellt worden.

• In einem gemischten Zellmonolayer aus Erythrozyten der Blutgruppe A

und O, sind die Zellen der Gruppe A, auf Grund der spezifischen Wechselwirkung

mit dem funktionalisierten Kraftsensor, mit einer Affinitätsabbildung

lokalisiert worden. Die spezifische Lokalisation von Liganden

an lebenden Zellen mit dem Kraftmikroskop ist demnach mit dieser

Technik möglich.

Die vorliegende Arbeit soll einen Einblick in aktuelle Entwicklungen der Statistik und Dynamik großräumiger Strukturen im Universum geben. Breiter Raum wird dabei der statistischen Auswertung mit Hilfe von Minkowskifunktionalen eingeräumt. Dieses übergeordnete Thema illustrieren wir exemplarisch durch die detailierte Darlegung dreier Anwendungsbereiche, die ganz unterschiedliche Arten kosmologisch relevanter Daten verwerten. Wir hoffen, mit diesem Überblick einen Beitrag zu der wachsenden Akzeptanz zu leisten, die die Minkowskifunktionale in letzter Zeit als Alternative zu den weit verbreiteten Zweipunktstatistiken gewinnen.