Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Biologische Systeme - Leben ist Bewegung

29.04.2016

Bewegen sich mikroskopisch kleine Teilchen von selbst, oder werden sie bewegt? Eine von theoretischen Biophysikern entwickelte Methode erkennt den Unterschied und ermöglicht neue Einblicke in fundamentale Prozesse des Lebens.

Welche physikalischen und chemischen Eigenschaften unterscheiden lebendige Organismen von toter Materie? Diese Frage fasziniert Wissenschaftler seit jeher. Als ein grundsätzliches Schlüsselmerkmal für lebende Systeme gilt, dass sie sich, im Gegensatz zu toter Materie, nicht im thermodynamischen Gleichgewicht befinden.


Lebende Systeme wie die Flimmerhärchen von Epithelzellen verletzen das Prinzip des detaillierten Gleichgewichts. Ihre aktive Bewegung könnte theoretisch genutzt werden, um kleinmaßstäbige Maschinen anzutreiben. Bild: C. Hohmann (NIM), M. Leunissen (Dutch Data Design).

Das heißt, lebende Systeme wenden kontinuierlich Energie auf, etwa um Bewegung aus eigener Kraft möglich zu machen. Der LMU-Physiker Professor Chase Broedersz hat nun in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Universitäten Göttingen, Amsterdam, dem Massachussetts Institute of Technology und der Yale University eine Methode entwickelt, mit der man unterscheiden kann, welche Bewegungsabläufe in lebenden Zellen aktiv angetrieben werden und welche passiv durch Diffusion entstehen. Dies ermöglicht einen tieferen Einblick in fundamentale biologische Prozesse. Die Wissenschaftler stellen ihre neue Studie in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Science vor.

„Faszinierenderweise ist Bewegung in der Welt mikroskopisch kleiner Teilchen nicht unbedingt ein Anzeichen für ein thermodynamisches Ungleichgewicht, also für einen aktiv angetriebenen Prozess, sondern sie kann auch durch eine Art thermisches Bombardement mit Atomen oder Molekülen aus der Umgebung zustande kommen“, sagt Broederzs:

Teilchen diffundieren aufgrund ihrer Wärmebewegung durch den Raum, kollidieren dabei ständig mit anderen Teilchen und stoßen sie zufällig in verschiedene Richtungen. Viele in Wirklichkeit aktive Prozesse in Zellen wiederum erwecken auf den ersten Anschein den Eindruck, zufällige Schwankungen zu sein. „Um die Zellfunktionen zu verstehen, ist es wichtig, beides voneinander unterscheiden zu können“, betont Broedersz.

Bewegungsanalyse mit Video

Die Forscher haben nun eine neue Methode entwickelt, mit der erstmals lebende Systeme auf der mikroskopischen Skala tatsächlich als lebend identifiziert werden können, und zwar anhand des Prinzips des detaillierten Gleichgewichts. Dieses Prinzip sagt aus, dass es für jeden Prozess einen genauso wahrscheinlichen Rückprozess gibt – Vor- und Rückwärtsbewegung etwa heben sich demnach insgesamt in etwa auf.

Trifft dies nicht zu, ist das System im Ungleichgewicht, wird also aktiv angetrieben. „Unsere neue Methode basiert auf mikroskopischen Videoaufnahmen, mit denen Bewegungen aufgenommen und daraufhin analysiert werden können, ob ein detailliertes Gleichgewicht vorliegt oder nicht“, sagt Broedersz.

Für ihre Studie analysierten die Wissenschaftler mit der neuen Methode die Bewegungsmuster von Flagellen der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii und von Flimmerhärchen von Epithelzellen. Flagellen und Flimmerhärchen sind ähnlich aufgebaut, erfüllen aber verschiedene Funktionen: Die Flagellen treiben beim Schwimmen an, während Flimmerhärchen hauptsächlich als bewegliche Fühler dienen.

„Mithilfe unserer Aufnahmen konnten wir zeigen, dass sich sowohl die Flagellen als auch die Flimmerhärchen nicht einfach vor und zurück bewegen“, sagt Broedersz, „stattdessen führen sie einen ganzen Zyklus verschiedener Bewegungen durch, die aktiv angetrieben sind – und verletzen damit das Prinzip des detaillierten Gleichgewichts.“

Wichtig für die Wissenschaftler war, dass sich die Bewegungen ihrer Versuchssysteme unterscheiden: Flagellen schlagen periodisch, und es gibt nur wenig zufällige Variabilität dabei. Flimmerhärchen dagegen zeigen sehr viel mehr Unregelmäßigkeiten in ihrer Bewegung. Trotzdem konnten sie für beide Systeme eine Verletzung des detaillierten Gleichgewichts nachweisen.

„Unsere Arbeit ist nicht nur für die Biologie interessant, um Nichtgleichgewichte in biologischen Systemen zu erkennen und so einen tieferen Einblick in die komplexen Prozesse des Lebens zu bekommen“, ist Broedersz überzeugt, „sondern sie wird auch in der statistischen Mechanik und der Biophysik große Beachtung finden, da sie grundlegende Fragen aufgreift, wie sich molekulare Nichtgleichgewichtsprozesse manifestieren.“
Science 2016

Publikation:
Broken detailed balance at mesoscopic scales in active biological systems
Christopher Battle*, Chase P. Broedersz*, Nikta Fakhri*, Veikko F. Geyer, Jonathon Howard, Christoph F. Schmidt, and Fred C. MacKintosh
Science 2016
http://science.sciencemag.org/content/352/6285/604

Kontakt:
Prof. Dr. Chase Broedersz
Theoretische Statistische und Biologische Physik
Phone: +49 (0)89 2180-4514
C.Broedersz@lmu.de
http://www.theorie.physik.uni-muenchen.de/17ls_th_statisticphys_en/group_broeder...

Luise Dirscherl | Ludwig-Maximilians-Universität München
Weitere Informationen:
http://www.uni-muenchen.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers
28.04.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Forschungsteam entdeckt Mechanismus zur Aktivierung der Reproduktion bei Pflanzen
28.04.2017 | Universität Hamburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie