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Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2022-11-01 - 2026-10-31

Forschungskontext / Theoretischer Rahmen Die Kontrolle und das Verständnis der Adhäsion von Zellen auf künstlichen Oberflächen ist nach wie vor ein wichtiges Thema in den Material- und Biowissenschaften. In dieser Hinsicht scheint die Kombination von Top-down- (Kontaktdruck) und Bottom-up-Ansätzen (ATRP-Polymerisation + schichtweise Adsorption von Polyelektrolyten und Proteinen) eine vielversprechende Strategie für das Design und die Herstellung von zellattraktiven Oberflächen zu sein. Interessanterweise ermöglicht diese Methodik den Übergang von 2D- zu 3D-ähnlichen hierarchischen Strukturen mit hybriden Inhalten (Nischen), die eine spätere Zellanhaftung auf der Oberseite beeinflussen, indem sie die spezifischen Bindungsstellen (RGD-, IKVAV-Anteile) gegenüber den Zielmembranrezeptoren (z. B. Integrine, CD44) besser freilegen. Der ergänzende Einsatz der Rasterkraftmikroskopie (AFM) mit einer lebenden Zelle als Sonde zusammen mit der Quarzkristallmikrowaage mit Dissipation (QCM-D) wird eine frühzeitige Analyse und Quantifizierung dieser Zell-Substrat-Wechselwirkungen auf der Nanoskala ermöglichen. Hypothesen/Forschungsfragen/Zielsetzungen Die Haupthypothesen des Projekts sind die folgenden: i) Die Kombination von substratverankerten Polymerbürsten und schichtweise aufgebrachten Polyelektrolytketten führt zu weichen 3D-Nischen für eine verbesserte Adsorption von ECM-Proteinen. Die Umwandlung von 2D-Grenzflächen in 3D-ähnliche Architekturen wird wiederum die Zellanhaftung und die Zellproliferation verbessern, was sich insbesondere auf die Zellmorphologie und die Anzahl der gebildeten Zell-Substrat-Verbindungen auswirkt. ii) Die Anwendung von Contact-Printing-Techniken vor dem Aufpfropfen der Bürsten ermöglicht die Herstellung von lokalisierten individuellen 3D-Anhaftungspunkten. Die lokale Anwesenheit spezifischer Moleküle beeinflusst die Zell-Substrat-Affinität, was sich letztendlich auf die Zellmorphologie und die Bildung einer unterschiedlichen Anzahl von Zell-Oberflächen-Kontakten auswirkt. iii) Die Technik der Einzelzell-Sonden-Kraftspektroskopie (SCPFS) ist empfindlich genug, um frühe Anheftungsereignisse bei Zell-Substrat-Kontakten zu identifizieren. Durch die Verwendung einer lebenden Zelle als Eindrücksonde können Vorgänge auf der Nano- und Mikroskala bestimmt werden. Ansatz / Methoden Die folgenden Methoden werden zur Untersuchung der Substratvorbereitung und des Zelladhäsionsverhaltens eingesetzt: Rasterkraftmikroskopie (AFM) im SCPFS-Modus, (konfokale) Fluoreszenzmikroskopie, Quarzkristallmikrowaage mit Dissipation (QCMD), Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Zellkulturprotokolle.
Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2021-11-01 - 2025-10-31

Die Auswirkungen von Hitze auf Pflanzen sind untrennbar mit dem Wasserverbrauch der Pflanzen verbunden. Hitzewellen haben sich mehr als verdreifacht, erwärmen sich um 2,3 K und gehen meist mit Trockenheit einher. Bei Hitze agieren die Spaltöffnungen an der Grenze zwischen Kühlung und kritischem Wasserverlust. Sobald sie sich schließen, hört die Kühlung auf, die Überhitzung der Blätter steigert die Transpiration und der Wasserverlust über die Kutikula wird entscheidend. Leider steigt die Permeabilität der Kutikula mit der Hitze exponentiell an. Es ist wenig bekannt über die strukturelle Basis der Veränderungen, ob die erhöhte kutikuläre Transpiration reversibel ist und ob eine Akklimatisierung möglich ist. Auch die Toleranz gegenüber verschiedenen Hitzedosen und die Wirkung auf die kutikuläre Transpiration ist weitgehend unbekannt. Um diese Wissenslücken zu schließen, werden Pflanzen in gemäßigten alpinen vs. tropischen Habitaten verglichen, die unterschiedlichen Hitzedosen (Intensität x Dauer) ausgesetzt sind. Dabei werden die folgenden Fragen behandelt: Was sind die habitatspezifischen Hitzedosen, Blatt-zu-Luft-Temperaturdifferenzen und Dampfdruckdefizite? Beeinflusst die Hitzedosis das Hitzeüberleben? Welche Hitzedosis, Dampfdruckdefizite und welches Pflanzenwasserpotential schließen die Spaltöffnungen? Wie reagiert die kutikuläre Transpiration auf verschiedene Hitzedosen und Dampfdruckdefizite? Sind hitze-induzierte Veränderungen der kutikulären Transpiration reversibel? Verändert die Hitzeeinwirkung die Kutikula-Struktur? Erklärt übermäßiger Wasserverlust Hitzeschäden? Das Projekt erforscht daher die Reversibilität und das Akklimatisierungspotential von Hitzeschäden der kutikulären Transpiration mit verschiedenen Ansätzen. Um Einblicke in die Kutikula von Pflanzen aus kalten vs. heißen Habitaten zu erhalten, werden RAMAN-Mikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie eingesetzt. Vom Labor zum Feld und von Molekülen zu Individuen reichend, verspricht die Studie umfassend neue Erkenntnisse zum Hitzeüberleben von Pflanzen. Die Ergebnisse werden wichtig sein, um das zukünftige Hitzerisiko für Pflanzen in einer global wärmeren Welt abzuschätzen.
Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2021-08-01 - 2025-07-31

Gefrierereignisse beeinträchtigen das Pflanzenleben erheblich. Biophysikalische Aspekte des Einfrierens sind weniger erforscht als molekulare Reaktionen, sind aber grundlegend für das Verständnis der Gefrierbeständigkeit. Während des harmlosen Einfrierens von Pflanzengeweben sammelt sich extrazellulär Eis an und die Zellen gefrieren im dehydrierten Zustand. Wie das Eiswachstum kontrolliert wird und wie das zelluläre Wasser an das Eis abgegeben wird, ist nach wie vor ein Rätsel. Da Pflanzen zu einem großen Teil aus Wasser bestehen, muss die Menge des gebildeten Eises beträchtlich sein. Während die Reduzierung des Wassergehalts Teil der Kälteakklimatisierung ist, überleben Frühlings- und Alpenpflanzen das Einfrieren mit hohem Wassergehalt. Es ist kaum etwas darüber bekannt, wie die wachsenden Eismassen verwaltet werden. Es gibt jedoch neuere Hinweise darauf, dass sich Eis in vorbestimmten Räumen ansammelt. Einige davon scheinen schon vorher zu existieren, andere werden durch Geweberisse gebildet. Wir stellen die Hypothese auf, dass 1) die räumliche Eingrenzung von Eismassen durch gezielte Eisabscheidung an bestimmten Stellen gesteuert werden muss. 2) Eismassen ein temperaturabhängiges Wachstum zeigen und 3) das Eismassenwachstum durch eisbeeinflussende Moleküle reguliert wird, die die Eismassenbildung lokal fördern oder hemmen, die gezielte Eissegregation erleichtern und die Eiskristallmorphologie beeinflussen. Mit neuen innovativen Methoden werden nun erstmals die biophysikalischen und chemischen Aspekte des Eiswachstums in Pflanzengeweben entschlüsselt: (1) Ein neues Kryo-Mikroskop mit reflektiert-polarisiertem Licht (CMrpl) erlaubt eine eindeutige und schnelle Visualisierung von Eismassen und die Analyse der Eiskristallform und ihrer Anhaftung an Zellwände. 2) Aktuelle Ergebnisse mit einem neuen Kalorimeter (µDSC 7 Evo) decken bisher unsichtbare, sehr geringe Gefrierprozesse in Blättern auf. 3) Mittels GC-MS werden molekulare Bestandteile von Eiskristallen und mittels RAMAN-Mikroskopie auch molekulare Bestandteile von Zellwänden und Zelllumina in der Nähe von Eis unstersucht.

Betreute Hochschulschriften