Principles and theory of protein-based pattern formation

Brauns, Fridtjof (2021): Principles and theory of protein-based pattern formation. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Biological systems perform functions by the orchestrated interplay of many small components without a "conductor." Such self-organization pervades life on many scales, from the subcellular level to populations of many organisms and whole ecosystems. On the intracellular level, protein-based pattern formation coordinates and instructs functions like cell division, differentiation and motility. A key feature of protein-based pattern formation is that the total numbers of the involved proteins remain constant on the timescale of pattern formation. The overarching theme of this thesis is the profound impact of this mass-conservation property on pattern formation and how one can harness mass conservation to understand the underlying physical principles. The central insight is that changes in local densities shift local reactive equilibria, and thus induce concentration gradients which, in turn, drive diffusive transport of mass. For two-component systems, this dynamic interplay can be captured by simple geometric objects in the (low-dimensional) phase space of chemical concentrations. On this phase-space level, physical insight can be gained from geometric criteria and graphical constructions. Moreover, we introduce the notion of regional (in)stabilities, which allows one to characterize the dynamics in the highly nonlinear regime reveals an inherent connection between Turing instability and stimulus-induced pattern formation. The insights gained for conceptual two-component systems can be generalized to systems with more components and several conserved masses. In the minimal setting of two diffusively coupled "reactors," the full dynamics can be embedded in the phase-space of redistributed masses where the phase space flow is organized by surfaces of local reactive equilibria. Building on the phase-space analysis for two component systems, we develop a new approach to the important open problem of wavelength selection in the highly nonlinear regime. We show that two-component reaction–diffusion systems always exhibit uninterrupted coarsening (the continual growth of the characteristic length scale) of patterns if they are strictly mass conserving. Selection of a finite wavelength emerges due to weakly broken mass-conservation, or coupling to additional components, which counteract and stop the competition instability that drives coarsening. For complex dynamical phenomena like wave patterns and the transition to spatiotemporal chaos, an analysis in terms of local equilibria and their stability properties provides a powerful tool to interpret data from numerical simulations and experiments, and to reveal the underlying physical mechanisms. In collaborations with different experimental labs, we studied the Min system of Escherichia coli. A central insight from these investigations is that bulk-surface coupling imparts a strong dependence of pattern formation on the geometry of the spatial confinement, which explains the qualitatively different dynamics observed inside cells compared to in vitro reconstitutions. By theoretically studying the polarization machinery in budding yeast and testing predictions in collaboration with experimentalists, we found that this functional module implements several redundant polarization mechanisms that depend on different subsets of proteins. Taken together, our work reveals unifying principles underlying biological self-organization and elucidates how microscopic interaction rules and physical constraints collectively lead to specific biological functions.

Abstract

Biologische Systeme führen Funktionen durch das orchestrierte Zusammenspiel vieler kleiner Komponenten ohne einen "Dirigenten" aus. Solche Selbstorganisation durchdringt das Leben auf vielen Skalen, von der subzellulären Ebene bis zu Populationen vieler Organismen und ganzen Ökosystemen. Auf der intrazellulären Ebene koordiniert und instruieren proteinbasierte Muster Funktionen wie Zellteilung, Differenzierung und Motilität. Ein wesentliches Merkmal der proteinbasierten Musterbildung ist, dass die Gesamtzahl der beteiligten Proteine auf der Zeitskala der Musterbildung konstant bleibt. Das übergreifende Thema dieser Arbeit ist es, den tiefgreifenden Einfluss dieser Massenerhaltung auf die Musterbildung zu untersuchen und Methoden zu entwickeln, die Massenerhaltung nutzen, um die zugrunde liegenden physikalischen Prinzipien von proteinbasierter Musterbildung zu verstehen. Die zentrale Erkenntnis ist, dass Änderungen der lokalen Dichten lokale reaktive Gleichgewichte verschieben und somit Konzentrationsgradienten induzieren, die wiederum den diffusiven Transport von Masse antreiben. Für Zweikomponentensysteme kann dieses dynamische Wechselspiel durch einfache geometrische Objekte im (niedrigdimensionalen) Phasenraum der chemischen Konzentrationen erfasst werden. Auf dieser Phasenraumebene können physikalische Erkenntnisse durch geometrische Kriterien und grafische Konstruktionen gewonnen werden. Darüber hinaus führen wir den Begriff der regionalen (In-)stabilität ein, der es erlaubt, die Dynamik im hochgradig nichtlinearen Regime zu charakterisieren und einen inhärenten Zusammenhang zwischen Turing-Instabilität und stimulusinduzierter Musterbildung aufzuzeigen. Die für konzeptionelle Zweikomponentensysteme gewonnenen Erkenntnisse können auf Systeme mit mehr Komponenten und mehreren erhaltenen Massen verallgemeinert werden. In der minimalen Fassung von zwei diffusiv gekoppelten "Reaktoren" kann die gesamte Dynamik in den Phasenraum umverteilter Massen eingebettet werden, wobei der Phasenraumfluss durch Flächen lokaler reaktiver Gleichgewichte organisiert wird. Aufbauend auf der Phasenraumanalyse für Zweikomponentensysteme entwickeln wir einen neuen Ansatz für die wichtige offene Fragestellung der Wellenängenselektion im hochgradig nichtlinearen Regime. Wir zeigen, dass "coarsening" (das stetige wachsen der charakteristischen Längenskala) von Mustern in Zweikomponentensystemen nie stoppt, wenn sie exakt massenerhaltend sind. Die Selektion einer endlichen Wellenlänge entsteht durch schwach gebrochene Massenerhaltung oder durch Kopplung an zusätzliche Komponenten. Diese Prozesse wirken der Masseumverteilung, die coarsening treibt, entgegen und stoppen so das coarsening. Bei komplexen dynamischen Phänomenen wie Wellenmustern und dem Übergang zu raumzeitlichen Chaos bietet eine Analyse in Bezug auf lokale Gleichgewichte und deren Stabilitätseigenschaften ein leistungsstarkes Werkzeug, um Daten aus numerischen Simulationen und Experimenten zu interpretieren und die zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen aufzudecken. In Zusammenarbeit mit verschiedenen experimentellen Labors haben wir das Min-System von Escherichia coli untersucht. Eine zentrale Erkenntnis aus diesen Untersuchungen ist, dass die Kopplung zwischen Volumen und Oberfläche zu einer starken Abhängigkeit der Musterbildung von der räumlichen Geometrie führt. Das erklärt die qualitativ unterschiedliche Dynamik, die in Zellen im Vergleich zu in vitro Rekonstitutionen beobachtet wird. Durch die theoretische Untersuchung der Polarisationsmaschinerie in Hefezellen, kombiniert mit experimentellen Tests theoretischer Vorhersagen, haben wir herausgefunden, dass dieses Funktionsmodul mehrere redundante Polarisationsmechanismen implementiert, die von verschiedenen Untergruppen von Proteinen abhängen. Zusammengenommen beleuchtet unsere Arbeit die vereinheitlichenden Prinzipien, die der intrazellulären Selbstorganisation zugrunde liegen, und zeigt, wie mikroskopische Interaktionsregeln und physikalische Bedingungen gemeinsam zu spezifischen biologischen Funktionen führen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 15. Juni 2021
• 1. Bericht­erstatter:in: Frey, Erwin