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Research Collection Doctoral Thesis Characterization of Growing Plant Cells Using Microrobotics Author(s): Felekis, Dimitrios Publication Date: 2014 Permanent Link: https://doi.org/10.3929/ethz-a-010211733 Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library DISS. ETH NO. 21992 Characterization of Growing Plant Cells Using Microrobotics A dissertation submitted to ETH ZURICH for the degree of Doctor of Sciences presented by DIMITRIOS FELEKIS MSc, National Technical University of Athens October 23, 1982 citizen of the Hellenic Republic accepted on the recommendation of Prof. Bradley J. Nelson, ETH Zurich, examiner, Prof. Ueli Grossniklaus, University of Zurich, co-examiner 2014 Abstract Plants have an immediate relevance to the vast spectrum of human enterprise, and, thus, it is imperative to develop a well-formulated, quantitative understanding of plant growth dynamics. Mechanical stresses play an important role in a cell’s growth and fate, but how they are sensed and tuned by plants remains largely unknown. To understand mechanosensing we need to quantify physical properties at the cellular level. However, acquiring sufficiently robust data to enable the accurate quantification of plant cell mechanical properties has proven a demanding technical challenge. To address such obstacles, we propose a microrobotic approach that simultaneously improves upon current standards for accuracy in measurement, and broadens the scope of possible experimental procedures. The system, which we call the Cellular Force Microscope (CFM), is a high-throughput microrobotic platform capable of both mechanical stimulation and characterization of single cells, tissues and organs. Computer vision routines fully automate the positioning of target cells and localization of the sensor tip. The real-time control and acquisition architecture dramatically increases the accuracy, speed, and reliability of force and position measurements. The system is highly versatile and can be integrated with various conventional microscopes making it a powerful screening technology for biomechanical studies. In this thesis, we present a CFM-based characterization of topography and cell wall stiffness in Lily and Arabidopsis thaliana pollen tubes and in onion epidermal cells in situ. We report techniques for real-time monitoring and analysis of intracellular calcium flux during mechanical stimulation with the CFM. We quantified the triggering forces in the Venus flytrap by stimulating its trigger hairs with microforce sensing probes. The CFM was also used as micromechanical testing device in metamaterial, tissue engineering scaffolds, and 3D printed dry-adhesive characterization. iv Zusammenfassung Pflanzen sind für viele Aspekte des menschlichen Lebens von unmittelbarer Bedeutung. Daher ist ein grundlegendes und umfassendes quantitatives Verständnis von Dynamik des Pflanzenwachstums unerlsslich. Jede mechanische Belastung auf eine Pflanze hat einen direkten Einfluss auf Wachstum und Prägung einer Zelle. Dennoch ist bis heute noch weitgehend unbekannt wie Pflanzen auf äussere Reize reagieren. Um die Mechanoperzeption von Pflanzen zu verstehen, bedarf es der Bestimmung physikalischer Eigenschaften auf zellulärer Ebene. Das Ermitteln solider Daten zu mechanischen Eigenschaften pflanzlicher Zellstrukturen erweist sich jedoch als technische Herausforderung. Um diese Hrden zu überwinden, behelfen wir uns einer Vorgehensweise aus der Mikrorobotik, dank welcher wir, die heutige Messgenauigkeit verbessern sowie die Bandbreite experimenteller Versuche erweitern knnen. Das System, welches wir das Cellular Force Microscope (CFM) nennen, ermöglicht eine hohe Durchsatzrate mechanischer Stimulationer, sowie Charakterisierungen einzelner Zellen, Gewebe oder Organen. Bildverarbeitungsroutinen automatisieren die Positionierung der Zielzellen und die Lokalisierung der Sensorspitze. Mittels Datenerfassung und verarbeitung in Echtzeit erzielen wir eine drastische Verbesserung der Genauigkeit, Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit von Kraft- und Positionsmessung. Das System ist äusserst vielseitig, kann in verschiedenste konventionelle Mikroskope integriert werden und diese zu einer leistungsstarken Screening-Technologie für biomechanische Studien aufrsten. In dieser Doktorarbeit präsentieren wir eine CFM-basierte Charakterisierung von Topographie und Steifigkeit von Zellwänden im Pollenschlauch am Beispiel der Lilie und der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), sowie in epidermalen Zellen einer Zwiebel in situ. Wir zeigen Verfahren zur berwachung und Analyse des intrazellulären Calcium-Flusses in Echtzeit während der v mechanischen Stimulation mit dem CFM. Ebenso ist es uns gelungen, durch Stimulation der Randborsten einer Venusfliegenfalle mit Mikrokraftsensoren die Auslösekraft einer Reaktion quantitativ zu bestimmen. Das CFM wurde ebenfalls für mikromechanische Tests an Metamaterialien, zur Untersuchung von Stützstrukturen in der Gewebezüchtung sowie zur Charakterisierung von 3D gedruckten Haftklebern eingesetzt. vi