Diving into the world of regeneration

Some animals and most plants can regrow lost body parts. Why do some organisms regenerate, while others don’t

Einzelligen Parasiten Motilität: Quantitativer Sicht

Die Bewegungsmuster und das Schwimmverhalten von Einzellern, speziell im Fall pathogener Parasiten, werfen eine Anzahl von Fragen mit großer medizinischer Bedeutung auf. Zwar haben biochemische und zellbiologische Studien zur Aufklärung der involvierten Proteine und der chemischen Wechselwirkungen im Zusammenhang mit der Motilität große Dienste erwiesen, jedoch erfordert eine vollständige Analyse und Charakterisierung von Mikroschwimmern drüber hinaus ein physikalisches und quantitatives Verständnis der vorherrschenden Schwimmmechanismen. In diesem Zusammenhang wird in dieser Arbeit die Motilität des Parasiten Trypanosoma brucei brucei in biomimetischen Umgebungen untersucht. Trypanosomen, einzellige Parasiten, verursachen Krankheiten bei Mensch und Rindern in Afrika und Südamerika, die tödlich verlaufen können. Die einzelligen Parasiten werden auf den Säugetierwirt über Insektenvektoren übertragen, leben und vermehren sich in der Blutbahn, bis sie letztlich in das zentrale Nervensystem eindringen. In diesen sehr unterschiedlichen Umgebungen im Körper des Wirtes bewegen sich die Trypanosomen mit der Hilfe eines Flagellums. In Nährmedium zeigen die Einzeller einen von drei möglichen Motilitätsmodi, welche sich in der Persistenz der Bewegungsrichtung unterscheiden. Trypanosomen mit einer ausgeprägten Richtungspersistenz haben eine überwiegend ausgestreckte Zellform, wohingegen Zellen, die keine Richtungspersistenz aufweisen, stärker gekrümmt erscheinen. Mit einem vereinfachten worm-like-chain -Modell kann aus dem End-zu-End-Abstand (von der Basis zum Kopfende) des Einzellers die Zellsteifigkeit abgeschätzt werden. Dabei zeigt sich, dass die gestreckten, mit größerer Richtungspersistenz assoziierten Zellen mit einer größeren Steifigkeit korrelieren. Diese Zellen zeigen eine Persistenz in der Schwimmrichtung über einen Zeitraum von etwa 15 s. Korrelationsanalysen mit Hilfe von hochauflösender Mikroskopie mit Bildraten von 1 kHz deckt eine zusätzliche Relaxationszeit im Bereich von 20 bis 100 ms auf, die auf starke Zellverformungen zurückzuführen ist. Random walk -Modelle können formuliert werden, um die Motilitätsmodi sowie die schnellen Verformungen des Zellkörpers zu beschreiben. In Polymernetzwerken und höher viskosen Umgebungen, wie sie in der extrazellulären Matrix gefunden werden, ist die Schwimmgeschwindigkeit der Trypanosomen reduziert. Einige Trypanosomen mit starker Richtungspersistenz können sich jedoch durch Netzwerke bewegen, deren Maschenweite kleiner als der Zelldurchmesser ist. Andere Zellen führen, wie eine Skalenanalyse zeigt, lediglich eine geringe Nettobewegung aus und scheinen die Elastizität des Netzwerks zu ertasten . Dabei können wir zeigen, dass die Beweglichkeit dieser Zellen verwendet werden kann, um die relativen Differenzen in der Elastizität von Aktin- und Kollagennetzwerken zu beschreiben, was ein neues Konzept von aktiver Mikrorheologie sein könnte. Trypanosomen zeigen die Neigung nahe an Wänden zu schwimmen und eine bevorzugte Orientierung zu den Wänden einzunehmen. In Mikrofluidikkanälen erfahren Trypanosomen, die in Kulturmedium suspendiert und einer hydrodynamischen Strömung ausgesetzt sind, einen Auftrieb weg von den Gefäßwänden und wandern zum Zentrum des Kanals. Der Vergleich mit unbeweglichen Trypanosomen, deren Bewegung reversibel eingefroren werden kann, ermöglicht es, Effekte der Zellmotilität von rein hydrodynamischen Effekten zu unterschieden, welche aufgrund der Form und Dichte der Zellen auftreten. Die auffälligsten Unterschiede im Verhalten zwischen beweglichen und unbeweglichen Zellen werden bei Strömungsgeschwindigkeiten unter 0.1 mm/s beobachtet (mehr als das Zehnfache der Eigengeschwindigkeit der Trypanosomen). In diesem Bereich der durch die Strömung resultierenden Scherspannungen zeigen Trypanosomen eine geschwindigkeitsabhängige oszillatorische Bewegung - sie schwimmen stromaufwärts von einer Seite des Kanals zur anderen. Unbewegliche Zellen taumeln dagegen in der Strömung und im Gegensatz zu aktiven, beweglichen Zellen zeigen sie keine Vorzugsorientierung. Wird das Suspensionsmedium gegen Vollblut ausgetauscht, werden keine signifikanten Unterschiede in der Verteilung der Massenschwerpunkte der Trypanosomen gefunden. Unter der Verwendung einer mikrofluidischen Verengungs-Expansions-Geometrie, um die zellenfreie Schicht nahe der Blutgefäßwand nachzuahmen, können wir jedoch zeigen, dass Trypanosomen, ähnlich wie weiße Blutzellen, aufgrund der Unterschiede in der Zellsteifigkeit und Beweglichkeit von roten Blutzellen in Richtung der Wände gedrängt werden. Diese Untersuchungen decken sich mit unserem Verständnis, wie sich die Trypanosomen Gefäßwänden nähern und in einem nächsten Schritt in Membranbarrieren eindringen können. Dies schließt die Invasion in das zentrale Nervensystem über die Blut-Hirn-Schranke trotz der hohen Scherspannungen aufgrund der Blutströmung mit ein. Die vorliegende Arbeit zeigt, wie eine quantitative, physikalische Herangehensweise faszinierende Details von Schwimmern bei niedrigen Reynoldszahlen aufdecken kann

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Optical trapping reveals propulsion forces, power generation and motility efficiency of the unicellular parasites Trypanosoma brucei brucei

Unicellular parasites have developed sophisticated swimming mechanisms to survive in a wide range of environments. Cell motility of African trypanosomes, parasites responsible for fatal illness in humans and animals, is crucial both in the insect vector and the mammalian host. Using millisecond-scale imaging in a microfluidics platform along with a custom made optical trap, we are able to confine single cells to study trypanosome motility. From the trapping characteristics of the cells, we determine the propulsion force generated by cells with a single flagellum as well as of dividing trypanosomes with two fully developed flagella. Estimates of the dissipative energy and the power generation of single cells obtained from the motility patterns of the trypanosomes within the optical trap indicate that specific motility characteristics, in addition to locomotion, may be required for antibody clearance. Introducing a steerable second optical trap we could further measure the force, which is generated at the flagellar tip. Differences in the cellular structure of the trypanosomes are correlated with the trapping and motility characteristics and in consequence with their propulsion force, dissipative energy and power generation

Impact of Microscopic Motility on the Swimming Behavior of Parasites : Straighter Trypanosomes are More Directional

Microorganisms, particularly parasites, have developed sophisticated swimming mechanisms to cope with a varied range of environments. African Trypanosomes, causative agents of fatal illness in humans and animals, use an insect vector (the Tsetse fly) to infect mammals, involving many developmental changes in which cell motility is of prime importance. Our studies reveal that differences in cell body shape are correlated with a diverse range of cell behaviors contributing to the directional motion of the cell. Straighter cells swim more directionally while cells that exhibit little net displacement appear to be more bent. Initiation of cell division, beginning with the emergence of a second flagellum at the base, correlates to directional persistence. Cell trajectory and rapid body fluctuation correlation analysis uncovers two characteristic relaxation times: a short relaxation time due to strong body distortions in the range of 20 to 80 ms and a longer time associated with the persistence in average swimming direction in the order of 15 seconds. Different motility modes, possibly resulting from varying body stiffness, could be of consequence for host invasion during distinct infective stages

Hierarchical Size Scaling during Multicellular Growth and Development

Multicellular organisms must regulate their growth across the diverse length scales of biological organization, but how this growth is controlled from organelle to body, while coordinating interdependent functions at each scale, remains poorly understood. We utilized the C. elegans worm intestine as a model system to identify distinct allometric scaling laws, revealing that the growth of individual structures is differentially regulated during development. We show that the volume of the nucleolus, a subcellular organelle, is directly proportional (isometric) to cell size during larval development. In contrast to findings in a variety of other systems, the size of the nucleus grows more slowly and is hypoallometric to the cell. We further demonstrate that the relative size of the nucleolus, the site of ribosome biogenesis, is predictive of the growth rate of the entire worm. These results highlight the importance of subcellular size for organism-level function in multicellular organisms

iThink biology

iThink Biology has been developed with the idea that it will first serve as a supplement rather than a replacement to existing textbooks, since our curricula are rather rigid. The resource focuses on building capacities, using content as a springboard for students to develop capacities in the scientific process, quantitative reasoning, reading and interpreting, and problem solving. The resource emphasises the idea that solutions to biological problems are interdisciplinary, and that a narrow disciplinary approach can have unforeseen consequences. We highlight that no problem is clear cut, as the world is a complex and changing system. Seemingly disconnected components of the natural world can have serious impacts over large spatio-temporal scales. Finally, the resource also tries to encourage independence in learning amongst students: an idea that is not highlighted enough in India

African Trypanosomes as model system for functional analyses of microbial motility

The locomotion of microorganisms in a microscopic world, where cells move through a fluid environment without using inertial forces, is a fascinating phenomenon in life science. Nature offers clever and inspiring strategies for self-propelling in an environment of no inertia. The flagellate African trypanosome, which causes African sleeping sickness, moves with help of a flagellum, which is firmly attached to its cell body. The beating flagellum leads to a strong distortion of the cell body and therefore to a swimming agitation of trypanosomes. We have found that trypanosomes use a hydrodynamic mechanism to defend against host’s immune attacks. Owing to continuous and directional swimming, host-derived antibodies attached to surface glycoproteins of the cell are dragged to the posterior cell pole, where they are rapidly internalized and destroyed. In the following we present new methodology and techniques to quantify the movements of proteins and the motility of cells. Moreover trypanosome motility schemes and their influence on cellular lifestyle and survival strategies are characterized