Actinomyosin Motility on Novel Material Systems and Automated Filament Tracking

Abstract

Miniaturisierte Sensorplattformen wie Lab-on-a-Chip-Geräte bergen ein enormes Potenzial für Anwendungen, die von Point-of-Care-Diagnostik bis hin zur Umweltüberwachung reichen. Ihr Einfluss bleibt jedoch durch das Fehlen kompakter und effizienter Transportsysteme begrenzt: Während Sensoren hinsichtlich Sensitivität und Spezifität kontinuierlich verbessert werden, schränkt die Integration sperriger Pumpen die Portabilität und Skalierbarkeit ein. Die Biologie bietet hier eine grundlegend andere Lösung, bei der molekulare Motoren chemische Energie direkt in gerichtete Bewegung umwandeln. Die Nutzung solcher nanoskaligen Transportsysteme könnte das fehlende Element für autonome und kompakte Geräte liefern. Diese Dissertation untersucht das Potenzial der Aktomyosin-Motilität als Transportsystem in Mikro- und Nanogeräten. Zunächst wurde ein temperaturunterstütztes Gasphasen-Silanisierungsprotokoll entwickelt und systematisch mit verschiedenen Silanen evaluiert. Zwei sichere langkettige Silane, Perfluor-octyltrichlorsilan (FOTCS) und Perfluor-dodecyltrichlorsilan (FDDTCS), wurden als geeignete Alternativen zu gefährlichen kurzkettigen Silanen identifiziert. Unter diesen zeigte FOTCS optimale Oberflächeneigenschaften, mit Wasser-Kontaktwinkeln von 88,1° ± 1,1° und geringer Rauigkeit (1,39 nm RMS), wodurch eine robuste Aktomyosin-Motilität mit motilen Fraktionen über 85 % und Gleitgeschwindigkeiten von 3,9 ± 1,2 µm/s ermöglicht wurde. Das Protokoll erwies sich als schnell, reproduzierbar und übertragbar auf verschiedene Substrate, einschließlich polymerbasierter Materialien, die für die Geräteherstellung relevant sind, wobei motile Fraktionen von nahezu 70 % erreicht wurden. Im zweiten Schritt wurde der Warentransport etabliert, indem Aktinfilamente über Biotin-Streptavidin-Binder an nanoskalige Fracht gekoppelt wurden. Während die Gleitgeschwindigkeiten weitgehend unverändert blieben, nahmen die motilen Fraktionen aufgrund von Filamentvernetzungen und sterischen Effekten ab, was die Bedeutung von Linker-Chemie und Filamentorganisation als Schlüsselfaktoren für die Leistungsfähigkeit unterstreicht. Abschließend wurde in Zusammenarbeit mit der Conde-Gruppe (Universität Kantabrien) eine automatisierte Tracking-Pipeline für In-vitro-Motilitätsassays entwickelt. Durch die Integration von Non-Local-Means-Denoising, hybrider Segmentierung und dichter optischer Flussberechnung konnten Geschwindigkeitsverteilungen aus Tausenden von Filamenten pro Bedingung extrahiert werden. Die Ergebnisse entsprachen den manuellen Analysen, bei gleichzeitig deutlich gesteigertem Durchsatz und statistischer Robustheit. Insgesamt definieren diese Ergebnisse methodische Strategien und operative Grenzen für den Einsatz von Aktomyosin im nanoskaligen Transport. Durch die Kombination von sicherer und skalierbarer Oberflächenmodifikation mit Proof-of-Concept-Frachttransport und automatisierter Datenanalyse trägt diese Arbeit dazu bei, die Übertragung der Aktomyosin-Motilität von der Grundlagenbiophysik hin zu praktischen nanotechnologischen Anwendungen voranzutreiben.

Miniaturized sensing platforms such as lab-on-a-chip devices hold great promise for applications ranging from point-of-care diagnostics to environmental monitoring. Their impact, however, remains limited by the lack of compact and efficient transport mechanisms: while sensors continue to improve in sensitivity and specificity, the integration of bulky pumps restricts portability and scalability. Biology offers a radically different solution, where molecular motors convert chemical energy directly into directional motion. Harnessing such nanoscale transport systems could provide the missing piece for autonomous and compact devices. This thesis explores the potential of actomyosin motility as a transport mechanism in micro- and nanodevices. First, a temperature-assisted gas-phase silanization protocol was developed and systematically evaluated using different silanes. Two safer long-chain silanes, perfluoro-octyltrichlorosilane (FOTCS) and perfluoro-dodecyltrichlorosilane (FDDTCS), were identified as viable alternatives to hazardous short-chain silanes. Among them, FOTCS yielded optimal surface properties, with water contact angles of 88.1° ± 1.1° and low roughness (1.39 nm RMS), enabling robust actomyosin motility with motile fractions above 85% and sliding velocities of 3.9 ± 1.2 µm/s. The protocol proved rapid, reproducible, and transferable across substrates, including polymeric materials relevant for device fabrication, where motile fractions near 70% were achieved. Second, cargo transport was established by coupling actin filaments to nanoscale cargos via biotin–streptavidin linkers. While motile velocities remained largely unaffected, motile fractions decreased due to filament crosslinking and steric effects, highlighting linker chemistry and filament organization as key performance factors. Finally, an automated tracking pipeline for in vitro motility assays was developed in collaboration with the Conde group (University of Cantabria). Integrating non-local means denoising, hybrid segmentation, and dense optical flow, the workflow extracted velocity distributions from thousands of filaments per condition. It reproduced manual analysis results while greatly increasing throughput and statistical robustness. Together, these results define methodological strategies and operational limitations for employing actomyosin in nanoscale transport. By combining safer and scalable surface modification with proof-of-concept cargo transport and automated data analysis, this work advances the translation of actomyosin motility from fundamental biophysics toward practical nanotechnological applications.