Postsynaptische Signaltransduktion spielt eine wesentliche Rolle für die Funktion des Gehirns. Sie besteht aus molekularen Signalkaskaden, die an der postsynaptischen Membran initiiert werden, wobei hunderte verschiedener Biomakromoleküle diffundieren und interagieren. 

Bis zum heutigen Zeitpunkt sind die raum-zeitlichen Zusammenhänge zwischen verschiedenen Arten von Membranproteinen und Lipiden selbst in der Anfangsphase der Signalübertragung noch weitgehend unerforscht. Wir haben ein mesoskaliges Protein-Membran-Zytosol-Modell der postynaptischen Signalübertragung in der Anfangsphase entwickelt, welches wir mittels Multiparticle Collision Dynamics (MPC) und Langevin-Dynamics (LD) Simulationsmethoden analysieren. Realistische Eingangsparameter werden dabei aus quasiatomistischen Simulationen gewonnen, welche von unserer Kooperationspartnern am INM-9 (V. Calandrini/P. Carloni) ausgeführt werden. Dies ermöglicht es uns, die Lücke zwischen molekularen und mesoskaligen Längen- und Zeitskalen zu schließen. Derzeit untersuchen wir, wie effektive Wechselwirkungen, Diffusion und eine mögliche Clusterbildung (Oligomerbildung) spezifischer GPCR Proteine von der einbettenden Membran und dem umgebenden Zytosol beeinflusst werden.

In einem verwandten Projekt untersuchen wir mit Hilfe von MPC Simulationen und theoretischen Methoden das Phasenverhalten und die Dynamik interagierender Proteine, deren Bewegung quasi-zweidimensional (Q2D) eingeschränkt ist entlang einer planaren Flüssigkeitsgrenzfläche eingebettet in einer Bulk-Flüssigkeit. Dazu untersuchen wir Lösungen von Proteinen mit kurzreichweitig attraktiven sowie langreichweitig repulsiven Wechselwirkungsanteilen vergleichbarer Stärke, welche eine Vielzahl von Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichts-Clusterphasen aufweisen. Das Wechselspiel von Q2D artiger Proteinbewegung und durch das Lösungsmittel vermittelten hydrodynamischen Wechselwirkungen generiert außergewöhnliche Effekte, wie z.B. eine anomal verstärkte kollektive Diffusion von Proteinen entlang eines Konzentrationsgradienten.