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May 29, 2023

Von Schleimen bis hin zu Zellproteinen

Dionnes Bachelor-Forschung untersuchte, wie der Schleimpilz Physarum funktioniert

Dionnes Bachelor-Forschung untersuchte, wie der Schleimpilz Physarum polycephalum

Max Prigozhin wusste nicht, was er denken sollte, als er Adam Dionnes Bachelorarbeit sah. Dionne hatte sein Abschlussjahr am Williams College im Westen von Massachusetts damit verbracht, einen Schleimpilz namens Physarum polycephalum zu studieren, und schickte in seiner Bewerbung für Prigozhins Biophysiklabor in Harvard Bilder seiner Forschung mit.

„Ich erinnere mich, dass ich mich gefragt habe: Ist das eine Art kryptisches Zeichen auf dem Grab eines ägyptischen Pharaos? Ist das eine Karte aus einem Videospiel? Ist das eine Landschaft einer Marswüste?“ sagte Prigozhin, Assistenzprofessor für Molekular- und Zellbiologie und Angewandte Physik an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). „Es war so seltsam und ungewöhnlich, also rief ich Adam an, um mit ihm über seine Arbeit zu plaudern, und so begann alles.“

Dionne ist jetzt Doktorandin im ersten Jahr. Kandidat für angewandte Physik in Prigozhins Labor. Sein erstes Semester an der SEAS und der Harvard Graduate School of Arts and Sciences begann mit einem guten Erfolg, da seine Bachelor-Forschung für den prestigeträchtigen Leroy Apker Award ausgewählt wurde. Der Preis wird jährlich von der American Physical Society verliehen und würdigt einen Bachelor-Studenten einer nicht promovierten Fakultät. bewilligende Institution – wie Williams – und eine von einem Ph.D. Auszeichnungsinstitution für herausragende Leistungen in der Physik.

Im Laufe des Sommers präsentierte Dionne seine Arbeit einer Jury der American Physical Society. „Das Neuartige daran war, dass ich so intim mit führenden, innovativen Physikern gesprochen habe, die sehr erfahren sind und seit Jahrzehnten forschen, und dass sie sich so sehr für meine Arbeit interessiert haben und fast wie Kollegen hin und her geredet haben“, sagt Dionne sagte.

Dionne untersuchte die Prozesse, durch die Physarum polycephalum nach Nährstoffen sucht und diese dann im gesamten System verteilt. Biologische Organismen, die größer als eine Zelle sind, benötigen einen aktiven Transportprozess für Nährstoffe, wie zum Beispiel das menschliche Gefäßsystem, das Blut durch den Körper pumpt. Das menschliche Gefäßsystem nutzt auch ein zentrales Organ, das Herz, um den gesamten Prozess anzutreiben.

Physarum polycephalum hat kein zentralisiertes Organ. Dionne und seine Berater Henrik Ronellenfitsch und Katharine Jensen untersuchten, wie der Schleimpilz selbst organisiert und dezentral Nährstoffe durch eine Reihe von Röhren transportiert, die jeweils für sich pumpen.

„Ich fand den Organismus unglaublich interessant“, sagte Dionne. „Es war so einfach. Es hatte kein Nervensystem. Es war einzellig, hatte aber die Größe einer Petrischale. Vor der Forschung hatte ich mich mit Mathematik, Physik und etwas Informatik beschäftigt. Dieses Projekt nutzt wirklich alles.“ Mit diesen Werkzeugen konnte ich ein sehr interessantes biologisches System untersuchen, daher hat mir die Arbeit sehr viel Spaß gemacht.“

Adam Dionne, Ph.D. Kandidat für angewandte Physik

Dionnes Bachelor-Forschung stützte sich auf mehrere wissenschaftliche und mathematische Disziplinen und erforderte eine Reihe theoretischer, rechnerischer und experimenteller Fähigkeiten. Dieser multidisziplinäre Ansatz ist Teil dessen, was ihn nach Harvard und insbesondere zur Prigozhin Group geführt hat.

„Max‘ Labor und alle seine Labormitglieder sind allesamt phänomenale Menschen, die offensichtlich erstklassige Wissenschaftler waren, die von ihrer Arbeit begeistert waren“, sagte Dionne. „Ich liebe die Tatsache, dass sein Labor nicht nur aus zehn Physikern besteht. Es hat Physiker, Mathematiker, Bioingenieure, Elektroingenieure – eine ganze Reihe unterschiedlicher Fähigkeiten, die man nutzen kann, um zu versuchen, diese wirklich herausfordernden Probleme zu lösen.“

Derzeit untersucht Dionne, wie Zellen externe Signale mithilfe von Proteinen verarbeiten, die als G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) bezeichnet werden und sich auf externen Zellmembranen befinden.

„Die Dynamik von GPCRs entwickelt sich im Laufe der Zeit, wenn sie durch ein Signalmolekül stimuliert werden. Diese Dynamik existierte für Biologen im toten Winkel, da es sich um ein sehr kleines Protein und einen sehr schnellen Prozess handelt“, sagte Dionne. „Das ist sehr schwer zu untersuchen, deshalb hat Max ein neuartiges biophysikalisches Werkzeug entwickelt, mit dem man dieses Regime kleiner, schneller Dynamik untersuchen kann.“

Prigozhins Werkzeug nutzt einen Prozess namens Kryo-Vitrifizierung, der die Zelle zu einem bestimmten Zeitpunkt nach der Stimulation einfriert. Wenn genügend gefrorene Zellen vorhanden sind, ist es möglich, den gesamten Signalzyklus der Zelle zu sehen.

„Wir erstellen ein Daumenkino der zellulären Signalübertragung, das Sie wieder zusammensetzen und analysieren können“, sagte Dionne. „Es ist ein ziemlich natürlicher nächster Schritt, die beiden Teile, die ich in meiner Bachelorarbeit bearbeitet habe, wirklich weiterzuentwickeln. Ich habe rechnerische Arbeiten durchgeführt, und ich habe leichte experimentelle Arbeiten durchgeführt, und ich baue beide Bereiche aus und wende sie an.“ ein anspruchsvolleres Problem, das sehr wirkungsvoll ist. Es ist ein wirklich unterhaltsamer Prozess, in beide Bereiche wirklich tiefgreifend einzusteigen und meine bisherigen Erfahrungen zu nutzen.“

Als Doktorand im ersten Jahr Als Student weiß Dionne, dass er gerade erst anfängt, alles zu erleben, was SEAS und Harvard zu bieten haben.

„Adam ist ein vielversprechender junger Physiker“, sagte Prigozhin. „Er verfügt über einzigartige Fähigkeiten, die tiefes biologisches Verständnis mit strenger mathematischer Modellierung verbinden. In meiner Gruppe baut Adam auf seinen theoretischen Fähigkeiten auf und ergänzt sie gleichzeitig durch das Wissen über biophysikalische Instrumente und Messungen – eine leistungsstarke Kombination von Fachwissen, die dies ermöglicht.“ Adam wird sich mit zentralen Fragen der Biophysik befassen und hoffentlich als Startrampe für Adams zukünftige Karriere in der Wissenschaft dienen.“

Matt Goisman | [email protected]