@article{UppaluriNaglerStellamannsetal.2011,
  author    = {Uppaluri, Sravanti and Nagler, Jan and Stellamanns, Eric and Heddergott, Niko and Herminghaus, Stephan and Pfohl, Thomas and Engstler, Markus},
  title     = {Impact of Microscopic Motility on the Swimming Behavior of Parasites: Straighter Trypanosomes are More Directional},
  series = {PLoS Computational Biology},
  volume    = {7},
  journal   = {PLoS Computational Biology},
  number    = {6},
  doi       = {10.1371/journal.pcbi.1002058},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-140814},
  pages     = {e1002058},
  year      = {2011},
  abstract  = {Microorganisms, particularly parasites, have developed sophisticated swimming mechanisms to cope with a varied range of environments. African Trypanosomes, causative agents of fatal illness in humans and animals, use an insect vector (the Tsetse fly) to infect mammals, involving many developmental changes in which cell motility is of prime importance. Our studies reveal that differences in cell body shape are correlated with a diverse range of cell behaviors contributing to the directional motion of the cell. Straighter cells swim more directionally while cells that exhibit little net displacement appear to be more bent. Initiation of cell division, beginning with the emergence of a second flagellum at the base, correlates to directional persistence. Cell trajectory and rapid body fluctuation correlation analysis uncovers two characteristic relaxation times: a short relaxation time due to strong body distortions in the range of 20 to 80 ms and a longer time associated with the persistence in average swimming direction in the order of 15 seconds. Different motility modes, possibly resulting from varying body stiffness, could be of consequence for host invasion during distinct infective stages.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Heddergott2011,
  author    = {Heddergott, Niko},
  title     = {Zellbiologische Aspekte der Motilit{\"a}t von Trypanosoma brucei unter Ber{\"u}cksichtigung der Interaktion mit der Mikroumwelt},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-56791},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2011},
  abstract  = {Trypanosomen sind Protozoen, die Krankheiten bei Mensch und Tier verursachen, die unbehandelt infaust verlaufen. Die Zellen sind hoch motil, angetrieben von einem einzelst{\"a}ndigen Flagellum, welches entlang des Zellk{\"o}rpers angeheftet ist. Selbst in Zellkultur h{\"o}ren Trypanosomen niemals auf sich zu bewegen und eine Ablation funktioneller Bestandteile des Flagellarapparates ist letal f{\"u}r Blutstromformen. Es wurde gezeigt, dass Motilit{\"a}t notwendig ist f{\"u}r die Zellteilung, Organellenpositionierung und Infektiosit{\"a}t. Dies macht Trypanosomen zu besonders geeigneten Modellorganismen f{\"u}r die Untersuchung der Motilit{\"a}t. Dennoch ist erstaunlich wenig {\"u}ber die Motilit{\"a}t bei Trypanosomen bekannt. Dies gilt auch noch genereller f{\"u}r die Protozoen. Unl{\"a}ngst ist dieses Gebiet allerdings in den Fokus vieler Arbeiten ger{\"u}ckt, was bereits erstaunliche, neue Erkenntnisse hervorgebracht hat. Doch Vieles ist noch nicht abschliessend gekl{\"a}rt, so z.B. wie der Flagellarschlag genau reguliert wird, oder wie sich der Schlag des Flagellums entlang des Zellk{\"o}rpers ausbreitet. Die vorliegende Arbeit befasst sich besonders mit den Einfl{\"u}ssen, die die Mikroumgebung auf die Motilit{\"a}t von Blutstromform-Trypanosomen aus{\"u}bt. In ihrem nat{\"u}rlichen Lebensraum finden sich Trypanosomen in einer hoch komplexen Umgebung wieder. Dies gilt sowohl f{\"u}r den Blutkreislauf, als auch f{\"u}r den Gewebezwischenraum in ihrem S{\"a}ugerwirt. Die hohe Konzentration von Zellen, Gewebeverb{\"a}nden und extrazellul{\"a}ren Netzwerken k{\"o}nnte man als Ansammlung von Hindernissen f{\"u}r die Fortbewegung auffassen. Diese Arbeit zeigt dagegen, dass der Mechanismus der Bewegung eine Adaptation an genau diese Umweltbedingungen darstellt, so z.B. an die Viskosit{\"a}t von Blut. Es wird auch ein Bewegungsmodell vorgestellt, das erl{\"a}utert, worin diese Adaption besteht. Dies erkl{\"a}rt auch, warum die Mehrheit der Zellen einer Trypanosomenkultur eine ungerichtete Taumel-Bewegung aufweist in nieder-viskosem Medium, das keine solchen "Hindernisse" enth{\"a}lt. Die Zugabe von Methylcellulose in einer Konzentration von ca. 0,5\% (w/v) erwies sich als geeigneter Ersatz von Blut, um optimale Bedingungen f{\"u}r gerichtetes Schwimmen von Blutstromform Trypanosomen zu erreichen. Zus{\"a}tzlich wurden in dieser Arbeit unterschiedliche Arten von Hindernissen, wie Mikroperlen (Beads) oder molekulare Netzwerke, sowie artifizielle, geordnete Mikrostrukturen verwendet, um die Interaktion mit einer festen Matrix zu untersuchen. In deren Anwesenheit war sowohl die Schwimmgeschwindigkeit, als auch der Anteil an persistent schwimmenden Trypanosomen erh{\"o}ht. Zellen, die frei schwimmend in Fl{\"u}ssigkeiten vorkommen (wie Euglena oder Chlamydomonas), werden effizient durch einen planaren Schlag des Flagellums angetrieben. Trypanosomen hingegen mussten sich evolution{\"a}r an eine komplexe Umgebung anpassen, die mit einer zu raumgreifenden Welle interferieren w{\"u}rde. Der dreidimensionale Flagellarschlag des, an die Zelloberfl{\"a}che angehefteten, Flagellums erlaubt den Trypanosomen eine effiziente Fortbewegung durch die Interaktion mit Objekten in jedweder Richtung gleichermassen. Trypanosomen erreichen dies durch eine hydrodynamisch verursachte Rotation ihres Zellk{\"o}rpers entlang ihrer L{\"a}ngsachse, entgegen dem Uhrzeigersinn. Der Einfluss der Mikroumgebung wurde in fr{\"u}heren Untersuchungen bisher vernachl{\"a}ssigt, ist zum Verst{\"a}ndnis der Motilit{\"a}t von T. brucei jedoch unerl{\"a}sslich. Ein weiterer, bisher nicht untersuchter Aspekt der Beeinflussung der Motilit{\"a}t durch die Umwelt sind hydrodynamische Str{\"o}mungseffekte, denen Trypanosomen im kardiovaskul{\"a}ren System ausgesetzt sind. Diese wurden in dieser Arbeit mittels Mikrofluidik untersucht. Um unser Verst{\"a}ndnis der Motilit{\"a}t von Trypanosomen von 2D, wie {\"u}blich in der Motilit{\"a}tsanalyse mittels Lebend-Zell-Mikroskopie, auf drei Dimensionen auszudehnen, wurde als bildgebendes Verfahren auch die Holographie eingesetzt. Mikrofluidik und Holographie sind beides aufkommende Techniken mit großem Anwendungspotential in der Biologie, die zuvor noch nie f{\"u}r die Motilit{\"a}tsanalyse von Trypanosomen eingesetzt worden waren. Dies erforderte daher interdisziplin{\"a}re Kooperationen. Zus{\"a}tzlich wurde in dieser Arbeit auch ein vollst{\"a}ndig automatisiertes und Software-gesteuertes Fluoreszenzmikroskopiesystem entwickelt, das in der Lage ist, einzelne Zellen durch entsprechende Steuerung des Mikroskoptisches autonom zu verfolgen und somit eine Bewegungsanalyse in Echtzeit erm{\"o}glicht, ohne weitere Benutzerinteraktion. Letztendlich konnte dadurch auch die Bewegung der schlagenden Flagelle und des gesamten Zellk{\"o}rpers mit hoher zeitlicher und r{\"a}umlicher Aufl{\"o}sung mittels Hochgeschwindigkeits-Fluoreszenzmikroskopie aufgekl{\"a}rt werden.},
  subject      = {Trypanosoma brucei},
  language  = {de}
}
@article{HeddergottKruegerBabuetal.2012,
  author    = {Heddergott, Niko and Kr{\"u}ger, Timothy and Babu, Sujin B. and Wei, Ai and Stellamanns, Erik and Uppaluri, Sravanti and Pfohl, Thomas and Stark, Holger and Engstler, Markus},
  title     = {Trypanosome Motion Represents an Adaptation to the Crowded Environment of the Vertebrate Bloodstream},
  series = {PLoS Pathogens},
  volume    = {8},
  journal   = {PLoS Pathogens},
  number    = {11},
  doi       = {10.1371/journal.ppat.1003023},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-134595},
  pages     = {e1003023},
  year      = {2012},
  abstract  = {Blood is a remarkable habitat: it is highly viscous, contains a dense packaging of cells and perpetually flows at velocities varying over three orders of magnitude. Only few pathogens endure the harsh physical conditions within the vertebrate bloodstream and prosper despite being constantly attacked by host antibodies. African trypanosomes are strictly extracellular blood parasites, which evade the immune response through a system of antigenic variation and incessant motility. How the flagellates actually swim in blood remains to be elucidated. Here, we show that the mode and dynamics of trypanosome locomotion are a trait of life within a crowded environment. Using high-speed fluorescence microscopy and ordered micro-pillar arrays we show that the parasites mode of motility is adapted to the density of cells in blood. Trypanosomes are pulled forward by the planar beat of the single flagellum. Hydrodynamic flow across the asymmetrically shaped cell body translates into its rotational movement. Importantly, the presence of particles with the shape, size and spacing of blood cells is required and sufficient for trypanosomes to reach maximum forward velocity. If the density of obstacles, however, is further increased to resemble collagen networks or tissue spaces, the parasites reverse their flagellar beat and consequently swim backwards, in this way avoiding getting trapped. In the absence of obstacles, this flagellar beat reversal occurs randomly resulting in irregular waveforms and apparent cell tumbling. Thus, the swimming behavior of trypanosomes is a surprising example of micro-adaptation to life at low Reynolds numbers. For a precise physical interpretation, we compare our high-resolution microscopic data to results from a simulation technique that combines the method of multi-particle collision dynamics with a triangulated surface model. The simulation produces a rotating cell body and a helical swimming path, providing a functioning simulation method for a microorganism with a complex swimming strategy.},
  language  = {en}
}
@article{WeisseHeddergottHeydtetal.2012,
  author    = {Weiße, Sebastian and Heddergott, Niko and Heydt, Matthias and Pfl{\"a}sterer, Daniel and Maier, Timo and Haraszti, Tamas and Grunze, Michael and Engstler, Markus and Rosenhahn, Axel},
  title     = {A Quantitative 3D Motility Analysis of Trypanosoma brucei by Use of Digital In-line Holographic Microscopy},
  series = {PLoS One},
  volume    = {7},
  journal   = {PLoS One},
  number    = {5},
  doi       = {10.1371/journal.pone.0037296},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-130666},
  pages     = {e37296},
  year      = {2012},
  abstract  = {We present a quantitative 3D analysis of the motility of the blood parasite Trypanosoma brucei. Digital in-line holographic microscopy has been used to track single cells with high temporal and spatial accuracy to obtain quantitative data on their behavior. Comparing bloodstream form and insect form trypanosomes as well as mutant and wildtype cells under varying external conditions we were able to derive a general two-state-run-and-tumble-model for trypanosome motility. Differences in the motility of distinct strains indicate that adaption of the trypanosomes to their natural environments involves a change in their mode of swimming.},
  language  = {en}
}
@article{StellamannsUppaluriHochstetteretal.2014,
  author    = {Stellamanns, Eric and Uppaluri, Sravanti and Hochstetter, Axel and Heddergott, Niko and Engstler, Markus and Pfohl, Thomas},
  title     = {Optical trapping reveals propulsion forces, power generation and motility efficiency of the unicellular parasites Trypanosoma brucei brucei},
  series = {Scientific Reports},
  volume    = {4},
  journal   = {Scientific Reports},
  number    = {6515},
  issn      = {2045-2322},
  doi       = {10.1038/srep06515},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-115348},
  year      = {2014},
  abstract  = {Unicellular parasites have developed sophisticated swimming mechanisms to survive in a wide range of environments. Cell motility of African trypanosomes, parasites responsible for fatal illness in humans and animals, is crucial both in the insect vector and the mammalian host. Using millisecond-scale imaging in a microfluidics platform along with a custom made optical trap, we are able to confine single cells to study trypanosome motility. From the trapping characteristics of the cells, we determine the propulsion force generated by cells with a single flagellum as well as of dividing trypanosomes with two fully developed flagella. Estimates of the dissipative energy and the power generation of single cells obtained from the motility patterns of the trypanosomes within the optical trap indicate that specific motility characteristics, in addition to locomotion, may be required for antibody clearance. Introducing a steerable second optical trap we could further measure the force, which is generated at the flagellar tip. Differences in the cellular structure of the trypanosomes are correlated with the trapping and motility characteristics and in consequence with their propulsion force, dissipative energy and power generation.},
  language  = {en}
}