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Biologische Variabilität bei der Musterbildung von Dictyostelium discoideum

Autor :Christiane Hilgardt
Herkunft :OvGU Magdeburg, Fakultät für Naturwissenschaften
Datum :02.06.2010
 
Dokumente :
Dataobject from HALCoRe_document_00008255
 
Typ :Dissertation
Format :Text
Kurzfassung :In dieser Arbeit wurde die Rolle biologischer Variabilität auf die Musterbildung des Schleimpilzes Dictyostelium discoideum untersucht. Dahinter verbirgt sich die Vorstellung, dass durch individuelle, zeitlich konstante Zelleigenschaften die Erregungsmuster von Dictyostelium maßgeblich geprägt werden. Die Hypothese ist, dass Variabilität eine entscheidende regulatorische Funktion in komplexen biologischen Kommunikationsprozessen trägt. Zunächst wurden die Regeln von Variabilität durch numerische Simulationen an einem zellulären Automatenmodell systematisch studiert und Variabilität mit Hilfe raumzeitlicher Filter aus den simulierten Mustern rekonstruiert. Zur Quantifizierung der Mustereigenschaften wurden Analysewerkzeuge zur Bestimmung der Phasensingularitäten und Targetzentren verwendet. Die numerisch etablierten Methoden wurden im nächsten Schritt auf die Analyse der Muster von Dictyostelium übertragen, um die räumlichen Verteilungen von Zelleigenschaften sichtbar zu machen. Zum einen wurden in ihrem Zellzyklus synchrone Zellen verwendet, zum anderen Populationen unterschiedlichen Entwicklungsalters miteinander gemischt. Dies geschah in Anlehnung an einen Entwicklungspfad als Modellvorstellung zur Entstehung räumlicher Heterogenität, auf dem sich die Zellen desynchron entwickeln. Die Musterquantifizierung erfolgte durch die Extraktion der Phasensingularitäten. Durch die Abschätzung gerichteter räumlicher und zeitlicher Zustandsänderungen durch die Fluktuationszahl konnten einerseits synchrone Zellen von nicht synchronen Zellen unterschieden, andererseits sogar der Synchronisationsgrad der Zellen aus den Mustern berechnet werden. Weiterhin ergaben sich systematische Zusammenhänge zwischen den Parametern des Mischens und den Häufigkeitsverteilungen der Fluktuationszahl. Komplementär zu diesen Experimenten, in denen die relativen Zelleigenschaften verändert wurden, wurden Experimente durchgeführt, in denen die globalen Eigenschaften der Zellen chemisch verändert wurden. Hier konnte keine Unterscheidung verschiedener Zellgruppen mit Hilfe der Observablen gefunden werden. Bemerkenswert ist, dass sich die Muster der synchronen und gemischten Zellen weder in der Phasensingularitätsdichte, noch in ihren qualitativen Eigenschaften unterscheiden, während bei chemisch modifizierten Zellen drastische Auswirkungen auf die Muster beobachtet werden. Die Korrelation zwischen der räumlichen Verteilung der Fluktuationszahl und Mustereigenschaften, insbesondere der Verteilung der Phasensingularitäten zeigten in vielen Fällen positive Korrelationen vor der Musterentstehung. Derartige Korrelationen ergaben sich aber nicht aus den reinen Grauwerten der Muster oder zufällig verteilter Phasensingularitäten. Daraus leitet sich ab, dass sich eine Symmetriebrechung innerhalb der Zellschicht schon vor dem Sichtbarwerden kohärenter Wellenstrukturen ergeben haben muss und dass diese mit geeigneten mathematischen Methoden extrahiert werden kann.
Topic of this thesis is the investigation of the functional role of biological variability in pattern formation of the slime mould Dictyostelium discoideum. It is assumed that individual cell properties, which are constant in time, determine certain properties of excitation patterns during the developmental cycle of Dictyostelium. It is postulated that variability has regulatory functions in complex biological communication processes. Rules of variability involved in pattern formation processes have been analysed numerically by a cellular automaton model and methods to analyse spatiotemporal data sets were applied to simulated patterns. To quantify the properties of the patterns, analytical tools to determine the positions of phase singularities and target centres were used, which are based on the phase variables of the single elements. Next, the numerically established methods were applied to experimental data sets of Dictyostelium to visualize spatial distributions of cellular properties. At first, synchronous cells were taken and populations of cells of different ages were mixed. This was done following the concept of a developmental path where the cells develop in desynchronized manner. This approach provides for a model where cellular heterogeneity is ensured. Pattern quantification was obtained by detection of phase singularities. The estimation of directed and non-directed changes in spatial and temporal states by the fluctuation number showed that synchronous and non-synchronous cells can be distinguished, and that even the order of synchronisation can be calculated. Complementary to this experiments where relative cell properties were changed, global properties of the cells were modified chemically. Applications of the observables on corresponding patterns showed no differences between different cell groups. It is noteworthy that patterns of synchronous cells and mixed cells neither differ in their qualitative features, nor show differing spatial densities in phase singularities. By contrast chemical modification of the cells induces dramatic effects on their patterns. Correlation analysis between the spatial distribution of the fluctuation number and phase singularities showed positive correlations in many cases before patterns were developed, whereas such correlations could not been found from pure grey values of the patterns or randomly distributed phase singularities. In conclusion, it can be deduced that the symmetry breaking within a cell population happens before coherent wave structures appear and that appropriate mathematical methods can be used to extract such relations.
Schlagwörter :Dictyostelium, Musterbildung, Selbstorganisation, biologische Variabilität, raumzeitliche Analysewerkzeuge, Fluktuationszahl, Tr
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Größe :X, 168 S.
 
Erstellt am :27.07.2010 - 11:35:59
Letzte Änderung :27.07.2010 - 11:37:03
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