Diffusion Processes with Hidden States from ... - FU Berlin, FB MI

Zusammenfassung 1Anomale Diffusion ist ein universelles Phänomen in biophysikalischen Prozessen wie zum Beispielder Bewegung von Biomolekülen innerhalb der Zelle oder in den Zellkompartimenten. Oftliegt das scheinbar komplexe Diffusionsverhalten darin begründet, dass das beobachtete Molekülzwischen verschiedenen Zuständen umschaltet, wobei in jedem dieser Zustände die Diffusioneinfach aber verschieden ist. Moderne Abbildungsverfahren, wie zum Beispiel die Einzelmolekülverfolgungmittels Fluoreszenz, erlauben die Positionsmessung einzelner Moleküle, welchediffundieren, in der Zeit. Jedoch nicht die einzelnen Zustände, in denen sich das betreffende Molekülbefindet. Die Physik hinter solchen experimentellen Daten zu verstehen führt auf das Löseneines inversen Problems hinaus. Dies soll die Menge der versteckten Zustände aufdecken, die einzelnenDiffusionsverhalten in den Zuständen und die Übergangsraten zwischen den Zuständen.Eine rechnerbetonnte Methode zur Lösung dieses inversen Problems, basierend auf ein ”HiddenMarkov”-Modell (versteckte Markovzustände) wird in dieser Arbeit präsentiert.Die visuelle Signaltransduktion bei den Wirbeltieren, das heißt die Übersetzung beziehungsweisedie Transformation der Lichtinformation, die in Form von einzelnen Lichtphotonen in das Augegelangt und zu einem elektrischen Signal transformiert wird, das schließlich von der Netzhautihren Weg durch das Gehirn in das visuelle Cortex findet, ist eines der am meisten untersuchtenProzesse in der Biophysik. Die primäre visuelle Transduktion findet in den über 120 MillionenStäbchenzellen statt, welche über die ganze Netzhaut verteilt sind und für das sogenannte Dunkel-Sehen bei den Wirbeltieren (zu denen auch der Mensch gehört) verantwortlich sind. Innerhalbdieser Stäbchenzellen sind etwa 1000 ”Disc-Membrane” übereinander gestapelt, einzelne durchDoppellipidschichten von der intrazellulären Umgebung getrennte Vesikeln.Diese beherbergen als integrale Bestandteile ihrer Membran unter anderem die Rhodopsin- Moleküle,welche das Licht absorbieren und dadurch eine Konformationsänderung erfahren und aktivbleiben, bis sie durch ein weiteres Protein deaktiviert werden. Darüber hinaus diffundieren zwischenden Disc-Membranen und auf der Membran Transducin-Moleküle, die nach Kollision mitRhodopsin mit einer festen Bindungsrate an Rhodopsin binden und mit diesem einen Komplexformen. Rhodopsin aktiviert wiederum dadurch das Transducin-Molekül, während Transducinwiederum das nächste Protein in der Kaskade aktiviert. Transducin spielt eine Schlüsselrolle inder Signalverstärkung, da ein einzelnes Rhodopsin während ihrer aktiven Lebenszeit in der Lageist, mehrere Transducin-Moleküle zu aktivieren. Bezüglich des Diffusionsverhaltens kann dasTransducin-Molekül in drei verschiedenen molekularen Zuständen existieren:1. Die Bewegung des Transducins in der Zellflüßigkeit zwischen den Disc-Membranen,2. die Bewegung des Transducins auf der Membran und3. es kann mit Rhodopsin einen metastabilen Prä-Komplex (aktiv oder inaktiv) formen unddann als Komplex lateral auf der Membran diffundieren.1 Recapitulation of the thesis in German.VII