Vom Zellskelett für die Entwicklung aktiver Materialien lernen
Jülich, 6. August 2020 - Jülicher Forscher haben eine Reihe von Modellen und Techniken für Computersimulationen entwickelt, mit denen sich dynamische Prozesse untersuchen lassen, die beispielsweise im Skelett von Zellen vorkommen. Die Methoden vermitteln ein besseres Verständnis der dabei ablaufenden mikroskopischen Vorgänge und könnten für die Entwicklung maßgeschneiderter aktiver Materialien hilfreich sein. Solche Werkstoffe passen ihre Eigenschaften selbstständig an sich verändernde Umgebungsbedingungen an und besitzen dynamisch steuerbare Eigenschaften. Dies ermöglicht vielfältige Anwendungen, etwa die Entwicklung von selbstheilenden Materialien, von Materialien, die reversibel kontrahieren und wieder relaxieren, und von Materialien, die enthaltene Chemikalien durchmischen können.
Das sogenannte Zytoskelett ist ein dynamisches Netzwerk im Inneren der Zellen von Tieren, Pflanzen und Pilzen. Seine Rolle besteht einerseits darin, die Zelle und Ihre Form zu stabilisieren, andererseits ermöglicht es aktive Bewegungen der Zelle als Ganzes, Bewegungen und Transporte innerhalb der Zelle sowie die Signalübertragung zwischen Zellen. Das Zellgerüst besteht aus dynamisch auf- und abbaubaren, fadenförmigen Eiweißpolymeren, die durch Vernetzer miteinander verbunden sind. Passive Vernetzer stabilisieren statische Netzwerkstrukturen, während aktive Vernetzer, vor allem sogenannte Motorproteine, unter Verbrauch von Energie eine anhaltende Bewegung und Selbstorganisation der Proteinfäden, auch Protein-Filamente genannt, fördern.
Neben ihrer hohen biologischen Bedeutung besitzen Gemische aus fadenförmigen und motorischen Komponenten auch aus physikalischer Sicht Relevanz, denn sie können sogenannte aktive „Nematen“ bilden. Das sind Materialien, die einem miniaturisierten Meer voller Fischschwärme ähneln, in denen die Fische dicht an dicht aneinander vorbei und durcheinander schwimmen. In den einzelnen Fischgruppen, im Fall der Materialien „Domänen“ genannt, ordnen sich die Filamente überwiegend nematisch an, d.h., parallel oder antiparallel zueinander. Diese Domänen bewegen sich ständig, ändern dabei ihre Richtung, teilen sich auf und vereinigen sich mit anderen Domänen – solange Treibstoff vorhanden ist. "Ein mikroskopisches Verständnis dieses dynamischen Prozesses in den Zellen kann dazu beitragen, Strategien für neuartige technische Werkstoffe zu entwickeln", erläutert Dr. Gerrit Vliegenthart vom Institut für Biologische Informationsverarbeitung.
Der Physiker und seine Jülicher Kollegen entwickeln Computersimulationsmodelle und -techniken zur Untersuchung der Struktur und Dynamik von komplexen Flüssigkeiten, weicher Materie und biologischen Systemen. Anders als bisher verwendete Mikroskopietechniken und Modellierungsansätze, die sich auf Längenskalen konzentrieren, die weit oberhalb der Durchmesser von Filamenten und Motorproteinen liegen, können sie die zugrunde liegende mesoskopische Struktur der Domänen und das komplexe Zusammenspiel zwischen mikroskopischen Parametern und dem daraus resultierenden mesoskopischen und makroskopischen Verhalten auflösen. Damit lassen sich Fragen beantworten wie: Verbiegen sich die Filamente unter dem Einfluss der mikroskopischen Kräfte? Wie viele Motorproteine pro Filament sind nötig um den dynamisch chaotischen Zustand zu stabilisieren? Wie lange dauert typischerweise die Reorganisation der Domänen? Die Beantwortung solcher Fragen ist für das Verständnis der Zellbewegung und das Design aktiver Materialen essenziell.
Originalveröffentlichung:
Gerard A. Vliegenthart at al.; Filamentous active matter: Band formation, bending, buckling, and defects; Science Advances 22 Jul 2020: Vol. 6, no. 30, eaaw9975,
DOI: 10.1126/sciadv.aaw9975
Zu den Videos: Die zwei Videosimulationen der Jülicher Forscher zeigen, wie scheinbar chaotisch und doch geordnet sich Proteinfäden bewegen können, die das Zytoskelett von Zellen bilden.
Quelle: Sci. Adv. 2020; 6: eaaw 9975 (24 July 2020). Published under Creative Commons Attribution-NonCommercial license, which permits use, distribution, and reproduction in any medium, so long as the resultant use is not for commercial advantage and provided the original work is properly cited. To view a copy of this licence, visit https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
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Ansprechpartner:
Dr. Gerrit Vliegenthart
Forschungszentrum Jülich
Theoretische Physik der Lebenden Materie/Theorie der Weichen Materie und Biophysik (IBI-5/IAS-2)
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E-Mail: g.vliegenthart@fz-juelich.de
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