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Forschungsarbeit

Dynamische Strukturbildung in aktiven rekonstituierten Systemen

Von Volker Schaller (18.04.2013)

Für den menschlichen Betrachter ist die geordnete Bewegung von Hunderten oder sogar Tausenden von Fischen, Insekten oder auch von Proteinen innerhalb von Zellen faszinierend. Obwohl sich diese Systeme nicht zuletzt durch ihre Größenordnung grundlegend unterscheiden, sind die entstehenden Bewegungsmuster einander erstaunlich ähnlich. Wie sie entstehen, ist aber noch rätselhaft und wirft grundlegende Fragen zum Verständnis komplexer Systeme auf. Folgen all diese hochdynamischen Systeme einigen wenigen grundlegenden Gesetzmäßigkeiten und was unterscheidet sie überhaupt von Systemen im thermischen Gleichgewicht? Kann man die Ausbildung ihrer komplexen Bewegungsmuster steuern und damit nutzen?

Schaller: Abb. 1[Bildunterschrift / Subline]: Abb. 1: Bewegung im Schwarm: Bei genügend hoher Dichte lagern sich die einzelnen Aktin Fasern zu Schwärmen zusammen und bewegen sich gemeinsam in eine Richtung. Die dabei entstehenden Strukturen sind sehr viel größer als eine einzelne Faser und bestehen aus Hunderttausenden einzelner Fasern.

Zur Untersuchung dieser Phänomene und ihrer Gesetzmäßigkeiten wurde in der Doktorarbeit ein biophysikalisches Modellsystem entwickelt, das es erlaubt Experimente unter kontrollierten Bedingungen und in hoher Präzision durchzuführen. Dazu wurden auf einer Glasoberfläche biologische Motorproteine verankert, die lose darüber liegende Fasern des zellulären Strukturproteins Aktin in beliebige Richtungen transportieren können. Diese Fasern haben einen Durchmesser von etwa sieben Nanometern, also sieben Millionstel Millimetern, und eine Länge von etwa zehn Tausendstel Millimetern. Ihre Bewegung wurde mit hochauflösender Mikroskopie sichtbar gemacht.

Im Experiment begannen sich die Aktin-Fasern zu bewegen, sobald ATP – der Treibstoff für Motorproteine – zugegeben wurde. Bei niedrigen Konzentrationen der Aktin-Fasern war diese Bewegung noch völlig ungeordnet. Erst ab einer gewissen kritischen Dichte begannen sich die Fasern kollektiv in größeren Verbänden zu bewegen. Dabei konnten theoretisch vorhergesagte Strukturen wie Wirbel und Dichtewellen erstmalig experimentell beobachtet und untersucht werden. Diese Strukturen erreichten eine Größe von bis zu einem Millimeter und blieben über mehrere Minuten stabil. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass die Bewegungsmuster charakteristische statistische Eigenschaften aufweisen, die sie scharf von Systemen im thermischen Gleichgewicht abgrenzen.

Schaller Abb. 2[Bildunterschrift / Subline]: Abb. 2: Der Einfluss vernetzender Proteine: Die Selbstorganisation in aktiven biologischen Systemen wird durch vernetzende Proteine gesteuert. Die Eigenschaften der dabei entstehenden Strukturen – wie etwa des abgebildeten Wirbels – werden durch die mikroskopischen Eigenschaften der Vernetzer festgelegt.

Ausgehend von diesen Beobachtungen wurden theoretische Modelle entwickelt, um die experimentellen Ergebnisse und die ihnen zugrunde liegenden Wechselwirkungen besser zu beschreiben. Mit Hilfe dieser Kombination aus erweiterbaren theoretischen Modellen und einer experimentellen Plattform war es anschließend möglich auch komplexere Probleme zu betrachten. Es konnte gezeigt werden, dass die entstehenden Strukturen in starkem Maße durch die Zugabe vernetzender Proteine beeinflusst werden, welche benachbarte Aktin-Fasern miteinander verbinden können. Die Untersuchung des Einflusses vernetzender Proteine ist dabei von besonderem Interesse für unser Verständnis von Selbstorganisationsprozessen innerhalb der Zelle: Zellen verfügen über eine enorme Vielzahl an diesen speziellen Proteinen, die unterschiedlichste Aufgaben ausführen. Während einige vernetzende Proteine das Zytoskelett der Zelle stabilisieren, sind andere Vernetzer maßgeblich an biologischen Prozessen wie der Zellteilung und der Zellmigration beteiligt. Diese enorme Aufgabenvielfalt spiegelte sich auch in den entstehenden Strukturen im Experiment wieder. So konnte beispielsweise die Ausbildung von makroskopischen Bündeln beobachtet werden, die mehrere Hunderttausende Aktin-Fasern enthalten und die die gerichtete Migration von zellulärem Material begreifbar macht.

Solche und ähnliche Phänomene der Selbstorganisation begleiten uns auf allen Ebenen unseres Lebens. Angefangen bei Verkehrsstaus und der Bewegung von Menschenmassen, sowie Tierschwärmen, reichen sie bis zur Organisation biologischer Prozesse. Die zugrundeliegenden Prinzipien – ob nun in ökonomischen, biologischen oder physikalischen Systemen – gehören aber noch zu den großen offenen Fragen der Physik. Die sehr gute Kontrollierbarkeit des in dieser Doktorarbeit untersuchten Modellsystems erlaubte hierbei die gezielte Überprüfung einiger wesentlicher Aussagen verschiedener Theorien – und das auf einer winzigen Längenskala.


Ausbildung
  • 2002-2008
  • Studium der Physik, Universität Bayreuth
  • 2007-2008
  • Diplomarbeit in theoretischer Physik am Lehrstuhl von Prof. W. Zimmermann, Universität Bayreuth
  • 2008-2012
  • Doktorarbeit in Experimentalphysik am Lehrstuhl von Prof. A. R. Bausch, TU München

Publikationen (Auszug)
  • C. Weber, V. Schaller, A. R. Bausch und E. Frey: Nucleation-induced transition to collective motion in active systems.(2012)
  • V. Schaller, B. Hammerich und A. R. Bausch: Active compaction of crosslinked driven filament networks. (2012)
  • V. Schaller und A. R. Bausch: A fresh twist for self-assembly. (2012)

Preise und Auszeichnungen
  • 2009
  • Promotionsstipendium der Studienstiftung des deutschen Volkes
  • 2009
  • Poster Award, Soft Active Materials, Syracuse, USA
  • 2010
  • CeNS Publication Award