Tracking and analysis of movement at different scales: from endosomes to humans

Abstract

Movement is apparent across all spatio-temporal scales in biology and can have a significant effect on the survival of the individual. For this reason, it has been the object of study in a wide range of research fields, i.e. in molecular biology, pharmaceutics, medical research but also in behavioural biology and ecology. The aim of the thesis was to provide methodologies and insight on the movement patterns seen at different spatio-temporal scales in biology; the intra-cellular, the cellular and the organism level. At the intra-cellular level, current thesis studied the compartmental inheritance in Human Osteosarcoma (U2-OS) cells. The inheritance pattern of the endosomal quantum dot fluorescence across two consecutive generations was for first time empirically revealed. In addition, a in silico model was developed to predict the inheritance across multiple generations. At the cellular level, a semi-automated routine was developed that canrealize long-term nuclei tracking in U2-OS cell populations labeled with a cell cycle marker in their cytoplasm. A method to extract cell cycle information without the need to explicitly segment the cells was proposed. The movement behaviour of the cellular population and their possible inter-individual differences was also studied. Lastly, at the organism level, the focus of the thesis was to study the emergence of coordination in unfamiliar free-swimming stickleback fish shoals. It was demonstrated that there exist two different phases, the uncoordinated and the coordinated. In addition, the significanceof uncoordinated phase to the establishment of the group’s social network was for first time evinced. The adaptation of the stickleback collectives was also studied over time, i.e. the effect of group’s repeated interactions on the emergence of coordination. Findings at the intra-cellular and cellular level can have significant implications on medical and pharmaceutical research. Findings at the organism level can also contribute to the understanding of how social interactions are formed and maintained in animal collectives.

Η κίνηση παρατηρείται σε όλες τις χωροχρονικές κλίμακες στη βιολογία και μπορεί να έχει σημαντική επίδραση στην επιβίωση του ατόμου. Για τον λόγο αυτό, αποτελεί αντικείμενο μελέτης σε ένα ευρύ φάσμα ερευνητικών πεδίων, όπως η μοριακή βιολογία, η φαρμακευτική, η ιατρική έρευνα, αλλά και η συμπεριφορική βιολογία και η οικολογία. Σκοπός της διατριβής ήταν η παροχή μεθοδολογιών και η προσφορά νέας γνώσης σχετικά με τα πρότυπα κίνησης που παρατηρούνται σε διαφορετικές χωροχρονικές κλίμακες στη βιολογία: το ενδοκυτταρικό, το κυτταρικό και το επίπεδο του οργανισμού. Σε ενδοκυτταρικό επίπεδο, η παρούσα διατριβή μελέτησε την κληρονομικότητα των κυτταρικών διαμερισμάτων σε ανθρώπινα κύτταρα οστεοσαρκώματος (U2-OS). Το πρότυπο κληρονομικότητας του φθορισμού ενδοσωματικών νανοσωματιδίων (quantum dots) σε δύο διαδοχικές γενιές αποκαλύφθηκε εμπειρικά για πρώτη φορά. Επιπλέον, αναπτύχθηκε ένα υπολογιστικό (in silico) μοντέλο για την πρόβλεψη της κληρονομικότητας των νανοσωματιδίων σε πολλαπλές γενιές. Σε κυτταρικό επίπεδο, αναπτύχθηκε μία ημι-αυτοματοποιημένη διαδικασία που επιτρέπει τη μακροχρόνια παρακολούθηση πυρήνων σε πληθυσμούς κυττάρων U2-OS από διαδοχικές εικόνες (time-lapse), τα οποία φέρουν δείκτη κυτταρικού κύκλου στο κυτταρόπλασμά τους. Μελετήθηκε ακόμη η κινητική συμπεριφορά του κυτταρικού πληθυσμού καθώς και πιθανές διαφορές μεταξύ των επιμέρους κυττάρων. Τέλος, σε επίπεδο οργανισμού, η διατριβή επικεντρώθηκε στη μελέτη της εμφάνισης συντονισμού σε ομάδες ελεύθερα κινούμενων ψαριών stickleback που δεν ήταν εξοικειωμένα μεταξύ τους. Αποδείχθηκε ότι υπάρχουν δύο διακριτές φάσεις: η μη συντονισμένη και η συντονισμένη. Επιπλέον, αναδείχθηκε για πρώτη φορά η σημασία της μη συντονισμένης φάσης για τη διαμόρφωση του κοινωνικού δικτύου και ιεραρχίας στην ομάδα. Μελετήθηκε επίσης η προσαρμογή των ομάδων stickleback με την πάροδο του χρόνου, δηλαδή η επίδραση των επαναλαμβανόμενων αλληλεπιδράσεων στην εμφάνιση συντονισμού. Τα ευρήματα σε ενδοκυτταρικό και κυτταρικό επίπεδο μπορούν να έχουν σημαντικές επιπτώσεις στην ιατρική και φαρμακευτική έρευνα. Τα ευρήματα σε επίπεδο οργανισμού συμβάλλουν επίσης στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο διαμορφώνονται και διατηρούνται οι κοινωνικές αλληλεπιδράσεις σε ζωικές συλλογικότητες.