Universität zu Köln

Bräutigam, Andrea ORCID: 0000-0003-3725-9385 (2021). Response of stochastic adhesion clusters to pulling and shearing forces. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Cells adhere to surfaces or cells via multi-protein complexes that are based on transmembrane cellular adhesion molecules. These complexes provide structural stability and are involved in numerous cellular processes. Mechanotransduction allows adaptation to environmental factors, such as increasing mechanical stress. A paradigm for an intricate response to increased tension is the adaptor protein talin. Under force, domains along the talin rod successively unfold, thereby opening previously inaccessible binding sites for vinculin molecules which strengthen the linkage. In this thesis, a minimal model for adhesion clusters is introduced and analysed to uncover possible generic mechanism of adhesion adaptation under force. An adhesion cluster is composed of elastic rod-like molecules that connect two planar surfaces under an external force. Molecules undergo reversible stochastic transitions between selected states, which describe the molecules' binding state and conformation. The whole cluster is described by a one-step Markov process, which is studied analytically and by means of kinetic Monte Carlo simulations. The results demonstrate that unfolding of adhesion molecules has qualitatively different effects under predominantly pulling and shearing forces. In the case of pure pulling, the confinement due to the rigid surfaces leads to a competition between conformations. As a consequence, cluster size decreases with increasing force and the probability for complete cluster dissociation grows. When the two surfaces are subject to shearing forces, the system is shifted out of equilibrium with continuous cycles of bond transitions which lead to an on average constant sliding velocity of the system. If the cluster is coupled to a reservoir, new molecules are drawn into the adhesion and the number of bonds increases despite increasing forces. This self-stabilization mechanism demonstrates that adaptation to mechanical stress can be achieved generically with few ingredients in a simplified, but thermodynamically consistent model.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Zellen haften an Oberflächen oder Zellen über Proteinkomplexe, die auf transmembranen Zelladhäsionsmolekülen basieren. Diese Komplexe sorgen für strukturelle Stabilität und sind in zahlreiche zelluläre Prozesse involviert. Mechanotransduktion erlaubt eine Anpassung auf Umgebungseinflüsse, wie zum Beispiel steigende mechanische Belastung. Ein Musterbeispiel für die komplexe Reaktion auf steigende Spannung ist das Adaptorprotein Talin. Unter Krafteinwirkung entfalten Regionen entlang der Stabregion sukzessive, wodurch Bindungsstellen für Vinkulinmoleküle geöffnet werden, die die Verbindung verstärken. In dieser Arbeit wird ein Minimalmodell für Adhäsionscluster vorgestellt und analysiert, um mögliche generische Mechanismen der Adhäsionsanpassung unter Krafteinwirkung aufzudecken. Ein Adhäsionscluster besteht aus elastischen, stäbchenförmigen Molekülen, die zwei ebene Oberflächen, auf die eine äußere Kraft wirkt, verbinden. Moleküle durchlaufen reversible stochastische Übergänge zwischen ausgewählten Zuständen, die den Bindungszustand und die Konformation der Moleküle beschreiben. Der gesamte Cluster wird durch einen einschrittigen Markov-Prozess beschrieben, der analytisch und mithilfe kinetischer Monte-Carlo-Simulationen untersucht wird. Die Ergebnisse zeigen, dass das Entfalten von Adhäsionsmolekülen qualitativ unterschiedliche Auswirkungen unter Zug- und Scherkräften hat. Bei reinem Zug führt die Begrenzung durch die harten Oberflächen zu einer Konkurrenz zwischen den Konformationen. Dadurch nimmt die Clustergröße mit steigender Kraft ab und die Wahrscheinlichkeit für eine vollständige Dissoziation wächst. Wenn die beiden Oberflächen Scherkräften ausgesetzt sind, wird das System aus dem Gleichgewicht gebracht, was zu einer im Mittel konstanten Gleitgeschwindigkeit des Systems führt. Wenn der Cluster an ein Reservoir gekoppelt ist, werden neue Moleküle in die Adhäsion gezogen und die Anzahl der gebundenen Moleküle nimmt trotz steigender Kraft zu. Dieser Selbststabilisierungsmechanismus zeigt, dass die Anpassung an mechanische Belastung generisch mithilfe weniger Zutaten in einem vereinfachten, aber thermodynamisch konsistentem Modell erreicht werden kann. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Bräutigam, Andrea UNSPECIFIED orcid.org/0000-0003-3725-9385 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-700320
Date:	2021
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > Forschungszentrum Jülich Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institut für Biologische Physik
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Cellular adhesions English Zelladhäsionen German Biological Physics English Biologische Physik German Statistical Physics English Statistische Physik German
Date of oral exam:	10 December 2021
Referee:	Name Academic Title Gompper, Gerhard Prof. Dr. Berg, Johannes Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/70032