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Highlights

Thermodynamics in living systems

Are there traces of phase transitions in the membranes of living systems? We are doing living cell studies with intact, motile specimen of the “swimming neuron” Paramecium and fluorescence spectroscopy to observe the phase state under changing circumstances.

 

Abbildung eines Parameciums und eines sigmoidalen Verlaufs des GP-Wertes © Anne Paeger​/​TU Dortmund

References:

  1. Anne Paeger, Christian Fillafer, and Matthias F. Schneider. “Evidence for a transition in the cortical membranes of Paramecium”. In: Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Biomembranes 1865 (1 2023), pp. 1–7. issn: 00052736. doi: 10.1016/j.bbamem.2022.184073.
  2. Lukas G. Schnitzler, Anne Paeger, Manuel S. Brugger, Matthias F. Schneider, and Christoph Westerhausen. “Reversible single cell trapping of Paramecium caudatum to correlate swimming behavior and membrane state”. In: Biomicrofluidics 16 (2022). doi: 10.1063/5.0084084.

Sensation by Living Systems

Do cells need specific proteins to respond to their environment? We explore how the plasma membrane can function as a supramolecular receptor.

References:

  1. Fillafer C., Koll Y.-S., Schneider M.F., Lipid Membrane State Change by Catalytic Protonation and the Implications for Synaptic Transmission, Membranes 12 (2022) 5. https://doi.org/10.3390/membranes12010005
  2. Fillafer C., Schneider M.F., On the excitation of action potentials by protons and its potential implications for cholinergic transmission, Protoplasma 253 (2016) 357-365., https://doi.org/10.1007/s00709-015-0815-4
  3. Fillafer C., Paeger A., Schneider M.F., The living state: How cellular excitability is controlled by the thermodynamic state of the membrane, Prog. Biophys. Mol. Biol. 162 (2021) 57-68. https://doi.org/10.1016/j.pbiomolbio.2020.10.003
Abbildung von Paul Ehrlich zum Schlüssel-Schloss-Prinzip © Paul Ehrlich (1899)
Ehrlich P., Croonian Lecture: On Immunity with Special Reference to Cell Life., Proc. Roy. Soc. 66 (1899) 424-448.

Acoustic Packets on a Flatland: A new basis for biological signaling?

This study provides first evidence that packets of sound can propagate without dispersion (solitary waves) in 2D single molecule thin films of phospholipids. The resulting systematic reorientation and condensation of the molecules was observed optically via energy transfer. The study predicts that single bio-molecules, the “inhabitants” of the flatland, can literally “talk” via the continuous 2D interface.

While the 2D acoustic phenomenon exhibit striking similarities (solitary, biphasic with a threshold) to communication in nerves, if it can indeed form a new basis for biological signaling remains to be seen.

References:

  1. Shrivastava S. and M. F. Schneider. Evidence for 2D Solitary Sound Waves in a Lipid Controlled Interface and its Biological Implications. J. R. Soc. Interface, 11, 97, 20140098 (2014).
  2. Shrivastava, S., K. H. Kang, and M. F. Schneider. Solitary Shock Waves near Phase Transition in Lipid Interfaces and Nerves. Phys. Rev. E 91, 012715 (2015).
Schematische Darstellung eines akustischen Pulses durch einen Lipid-Monolayer © Shamit Shrivastava​/​Dissertation

Physics of Signaling

The existence and propagation of acoustic pressure pulses on lipid monolayers at the air-water interface are directly observed by simple mechanical detection. The pulses are excited by small amounts of solvents added to the monolayer. Controlling the state of the lipid interface, we show that the pulses propagate at velocities c following the lateral compressibility κ. This is manifested by a pronounced minimum in c (∼0.3 m/s) within the transition regime. The role of interface density pulses in biology is discussed, in particular, in the context of communicating localized alterations in protein function (signaling) and nerve pulse propagation.

Schematische Darstellung der Puls-Enzym-Wechselwirkung in einem Lipid-Monolayer © Matthias F. Schneider​/​TU Dortmund

References:

  1. Fichtl B., I. Silman, and M. F. Schneider. On the physical basis of biological signaling by interface pulses. Langmuir, 34, 16, 4914-4919 (2018).
  2. Fichtl, B., S. Shrivastava and M. F. Schneider. Protons at the speed of sound: Predicting Specific biological signaling from physics. Sci. Rep. 6, 22874 (2016).

Synaptic transmission by acetylcholine

The transmission of a nerve pulse from a presynaptic to a postsynaptic cell (e.g., nerve, muscle, secretory cell, etc.) is fundamental for many physiological functions. In a prominent class of synapses transmission relies on acetylcholine (ACh). At present, it is assumed that ACh is (1) released by a nerve pulse, (2) binds to a membrane protein and (3) is hydrolyzed (i.e. deactivated) by acetylcholinesterase (AChE).

There are reasons to doubt this model: First, AChE is one of the fastest enzymes in nature. As such it will rapidly reduce the amount of synaptic ACh that can bind to another protein. Second, hydrolysis of ACh generates acetic acid. The protons donated by the acid may directly excite the postsynaptic membrane (as proposed by Konrad Kaufmann (Kaufmann 1977a, b, 1980)). We try to address the fundamental problem: Is a postsynaptic cell excited by intact ACh or by one of its hydrolysis products: the proton.

Schematische Darstellung einer cholinergenen Synapse © Christian Fillafer​/​TU Dortmund

References:

  • Kaufmann K., Acetylcholinesterase und die physikalischen Grundlagen der Nervenerregung (1980)
  • Kaufmann K., Int. J. Quant. Chem. Supp. (1977) XII:169.
  • Kaufmann K., Silman I., Naturwissenschaften (1980) 67:608.
  • Fillafer C., Schneider M. F., Protoplasma (2015)

The dynamic, reversible clot

High shear induces aggregates that are only stable under flow. Once hydrodynamic stress is released they fall apart and are ready to be used somewhere else again.

Reference:

  1. Chen, H., M. A. Fallah, V. Huck, J. I. Angerer, A. J. Reininger, S. W. Schneider, M. F. Schneider and A. Alexander-Katz. Blood-Clotting Inspired Reversible Polymer-Colloid Composite Assembly in Flow. Nature Comm. (4) 1333 (2013).
Schematische Darstellung eines (Bio-)Polymer-Kolloid-Verbundes © Hsieh Chen

Anfahrt & Lageplan

Der Campus der Technischen Universität Dortmund liegt in der Nähe des Autobahnkreuzes Dortmund West, wo die Sauerlandlinie A45 den Ruhrschnellweg B1/A40 kreuzt. Die Abfahrt Dortmund-Eichlinghofen auf der A45 führt zum Campus Süd, die Abfahrt Dortmund-Dorstfeld auf der A40 zum Campus-Nord. An beiden Ausfahrten ist die Universität ausgeschildert.

Direkt auf dem Campus Nord befindet sich die S-Bahn-Station „Dortmund Universität“. Von dort fährt die S-Bahn-Linie S1 im 20- oder 30-Minuten-Takt zum Hauptbahnhof Dortmund und in der Gegenrichtung zum Hauptbahnhof Düsseldorf über Bochum, Essen und Duisburg. Außerdem ist die Universität mit den Buslinien 445, 447 und 462 zu erreichen. Eine Fahrplanauskunft findet sich auf der Homepage des Verkehrsverbundes Rhein-Ruhr, außerdem bieten die DSW21 einen interaktiven Liniennetzplan an.
 

Zu den Wahrzeichen der TU Dortmund gehört die H-Bahn. Linie 1 verkehrt im 10-Minuten-Takt zwischen Dortmund Eichlinghofen und dem Technologiezentrum über Campus Süd und Dortmund Universität S, Linie 2 pendelt im 5-Minuten-Takt zwischen Campus Nord und Campus Süd. Diese Strecke legt sie in zwei Minuten zurück.

Vom Flughafen Dortmund aus gelangt man mit dem AirportExpress innerhalb von gut 20 Minuten zum Dortmunder Hauptbahnhof und von dort mit der S-Bahn zur Universität. Ein größeres Angebot an internationalen Flugverbindungen bietet der etwa 60 Kilometer entfernte Flughafen Düsseldorf, der direkt mit der S-Bahn vom Bahnhof der Universität zu erreichen ist.

Die Einrichtungen der TU Dortmund verteilen sich auf den größeren Campus Nord und den kleineren Campus Süd. Zudem befinden sich einige Bereiche der Hochschule im angrenzenden Technologiepark. Genauere Informationen können Sie den Lageplänen entnehmen.