Zell-Engineering
Zell-Engineering
Über
Durch die Einführung und gezielte Ausrichtung neuer Proteine in Zellen wollen wir Systeme schaffen, die es uns ermöglichen, die Informationsverarbeitung in Zellnetzwerken zu untersuchen und neue bioelektronische Materialien zu entwickeln.
Wir vergleichen die räumliche Spezifität und Persistenz von Informationen, wenn ein neuronales Netzwerk mit verschiedenen Modalitäten manipuliert wird. Mechanische Stimulierung, elektrische Stimulierung und optogenetische Stimulierung sind allesamt Kandidaten für künftige korrigierende Therapien zur Modulation der neuronalen Aktivität. Unsere Arbeit untermauert die Vorhersagen, die notwendig sein werden, um die effizientesten Stimulationsmittel für einen bestimmten Zweck auszuwählen und die Informationen korrekt zu kodieren.
Forschungsthemen
Unsere aktuelle Forschung konzentriert sich auf:
- Spezifität der Stimulation
- Identifizierung und Manipulation von Schlüsselneuronen.
Stimulierung und Hemmung der neuronalen Signalübertragung durch lichtgesteuerte Kanäle und Pumpen. Wir verwenden optogenetische Aktuatoren auf der Basis von Channelrhodopsin und Anionchannelrhodopsin, um neuronale Netzwerke auf der Ebene einzelner Zellen mit hoher Flexibilität in räumlichen und zeitlichen Protokollen zu manipulieren. Um den Nutzen der optogenetischen Aktoren zu erweitern, erforschen wir Markierungsbereiche, die eine subzelluläre Ausrichtung der Aktoren ermöglichen und ihren Einsatz in anderen Zelltypen, wie z. B. Epithelien, erlauben (Abb. 1).
Spezifität der Stimulation
Selbst wenn die Methode der Stimulation auf ein einzelnes Neuron abzielt, kann sie eine Netzwerkreaktion unterschiedlichen Ausmaßes und unterschiedlicher Dauer hervorrufen. So kann beispielsweise eine einzelne mechanische Stimulation eines einzelnen Neurons die Signalübertragung in Zellen beeinflussen, die Hunderte von Mikrometern entfernt sind, und die Netzwerkaktivität für Minuten verändern. Die extrazelluläre elektrische Stimulation ist schnell, steht jedoch vor der Herausforderung, dass Neuriten das erzeugte Feld durchqueren. Wir vergleichen diese Methoden mit der optogenetischen Einzelzellstimulation, um die Stimulationsmodi für gewünschte Aktivitätsmuster zu optimieren.
Nicht alle Neuronen in einem Netzwerk haben die gleiche Fähigkeit, die Signalübertragung im Netzwerk zu beeinflussen. Wir arbeiten daran, diese wichtigen Einflussfaktoren zu identifizieren und herauszufinden, wie verschiedene Arten der Manipulation auf der Ebene der einzelnen Zelle die Signalübertragung im Netzwerk verändern können. Dies wird die effizientesten Methoden zur Korrektur abweichender Netzwerkaktivitäten (wie bei Krankheiten oder Verletzungen) oder zur Programmierung von Informationen in das Netzwerk (wie beim biomimetischen Computing) liefern (Abb. 2).
Mitglieder
Ehemalige Mitglieder
Devran Dardanoglu, intern until 08/2023
Bogdana Cepkenovic, Doctoral researcher until 04/2023
Ruoyan Wei , Doctoral researcher until 12/2022
Jiali Wang , Doctoral researcher until 12/2022
Cole Wilson, Fulbright Fellow until 07/2022
Dominik Brinkmann, Doctoral researcher until 12/2021
Timm Hondrich, Doctoral Researcher until 09/2020
Lucas Bertram, Master Student until 12/2019
Jana Schieren, Master Student until 03/2019
Irina Tihaa, Doctoral Researcher until 06/2018
Annika Graeve, Bachelor Student until 03/2018
Sarah Roßbiegalle, Bachelor Student until 02/2018
Wenfang Li, Doctoral researcher until 03/2017
Lei Jin, Doctoral Researcher until 07/2016
Aktuelle Veröffentlichungen
Wang, J., Platz‐Baudin, E., Noetzel, E., Offenhäusser, A., & Maybeck, V. (2024). Expressing Optogenetic Actuators Fused to N‐terminal Mucin Motifs Delivers Targets to Specific Subcellular Compartments in Polarized Cells. Advanced Biology, 8(3). https://doi.org/10.1002/adbi.202300428
Cepkenovic, B., Friedland, F., Noetzel, E., Maybeck, V., & Offenhäusser, A. (2023). Single-neuron mechanical perturbation evokes calcium plateaus that excite and modulate the network. Scientific Reports, 13(1), 20669. https://doi.org/10.1038/s41598-023-47090-z
Kempmann, A., Gensch, T., Offenhäusser, A., Tihaa, I., Maybeck, V., Balfanz, S., & Baumann, A. (2022). The Functional Characterization of GCaMP3.0 Variants Specifically Targeted to Subcellular Domains. International Journal of Molecular Sciences, 23(12). https://doi.org/10.3390/ijms23126593
Shokoohimehr, P., Cepkenovic, B., Milos, F., Bednár, J., Hassani, H., Maybeck, V., & Offenhäusser, A. (2022). High‐Aspect‐Ratio Nanoelectrodes Enable Long‐Term Recordings of Neuronal Signals with Subthreshold Resolution. Small, 2200053. https://doi.org/10.1002/smll.202200053
Improvements of Microcontact Printing for Micropatterned Cell Growth by Contrast Enhancement, Hondrich et al., Micromachines 2019, 10, 659; doi:10.3390/mi10100659, https://www.mdpi.com/2072-666X/10/10/659
How to image cell adhesion on soft polymers? Seyock et al., Micron 2017, http://dx.doi.org/10.1016/j.micron.2016.11.002
Controlled Engineering of Oxide Surfaces for Bioelectronics Applications Using Organic Mixed Monolayers, Markov et al., ACS Applied Materials and Interfaces 2017 10.1021/acsami.7b08481, https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.7b08481
High-efficiency transduction and specific expression of ChR2opt for optogenetic manipulation of primary cortical neurons mediated by recombinant adeno-associated viruses, Jin et al., J Biotechnol,2016, 233:171–80, https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2016.07.001
An evaluation of extracellular MEA versus optogenetic stimulation of cortical neurons
Maybeck et al., Biomed Phys Eng Express, 2016, 2:055017, https://doi.org/10.1088/2057-1976/2/5/055017