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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
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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