Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Biophysik - Schwarmbildung in Nanosystemen

19.08.2015

Prinzipien der Selbstorganisation von Biomolekülen: Fadenförmige Filamente zeigen Phasen synchroner Bewegung. Münchner Physiker haben neue Erkenntnisse darüber, was die gemeinsame Ausrichtung antreibt.

Aus vielen Bausteinen bestehende, lebende Materie hat bisweilen außergewöhnliche Fähigkeiten, sich selbst zu organisieren und kollektive Bewegungen auszuführen. Das funktioniert bei einem Vogelschwarm im großen Maßstab ähnlich wie bei sich gemeinsam bewegenden Gruppen von Bakterien oder Zellen. Physiker interessieren sich für die zugrunde liegenden theoretischen Mechanismen hinter solch geordneten Strukturen und Bewegungen.


Foto: Matthias Krüttgen / Fotolia.com

Quelle: http://www.uni-muenchen.de/forschung/news/2015/frey_mikrofilamente.html

So wollen sie die makroskopischen Phänomene besser verstehen lernen. Dr. Christoph Weber und Professor Erwin Frey, Inhaber des Lehrstuhls für Biologische und Statistische Physik, von der LMU untersuchten deshalb gemeinsam mit ihren Kollegen Dr. Ryo Suzuki und Professor Andreas Bausch von der Technischen Universität München ein Modellsystem aus fadenförmigen Aktin-Molekülen.

Solche Mikrofilamente sind beteiligt an der aktiven Bewegung von Zellen und an intrazellulären Transportvorgängen. Die Filamente ließen sich im Experiment von auf einem Untergrund aufgeklebten molekularen Motoren bewegen.

Die Physiker konnten so studieren, wie sich einzelne Filamente verbiegen, was passiert wenn zwei Filamente zusammenstoßen, und unter welchen Bedingungen sich die Filamente kollektiv ausrichten. Davon berichten sie in aktuellen Arbeiten in den Fachblättern Nature Physics und PNAS.

Gemäß der bisher gängigen Theorie galt vorwiegend die Brown´sche Wärmebewegung als ursächlich dafür, wie sich die dünnen Filamente verbiegen, während die Motoren sie vorwärts bewegen. „Diese Annahme ist aber falsch“, sagt Christoph Weber, der mittlerweile am Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme arbeitet.

„Die Brown´sche Bewegung hat nur einen geringen Einfluss auf die Form der Filamente.“ Die Münchner Forscher konnten jetzt nachweisen, dass stattdessen die molekularen Motoren nicht nur die Partikel antreiben, sondern auch dafür sorgen, dass sich die Partikel biegen. „Die Filamente zeigen starke lokale Krümmungen, die einer Verteilung gehorchen, die nicht mit der Wärmebewegung erklärt werden kann“, sagt Ryo Suzuki.

Wechselwirkungen nicht nur paarweise

Zudem konnten die Physiker zeigen, dass nicht etwa wiederholte Stöße zwischen jeweils zwei Partikeln dazu führen, dass sich die Filamente nach und nach ausrichten und dann kollektiv vorwärts bewegen. Tatsächlich scheinen gleichzeitige Interaktionen zwischen vielen Partikeln für kollektive Bewegungen verantwortlich zu sein. Filamente sind offenbar in Verbindung untereinander und wechselwirken nicht nur paarweise, sondern ständig mit vielen Partikeln.

Die Forscher konnten im Experiment beobachten, dass sich abhängig von der Dichte und Länge der Filamente ein sogenannter Phasenübergang von einer nicht ausgerichteten zu einer kollektiv bewegenden Phase ergibt. Dies ähnelt dem Kondensieren von Gas zu einer Flüssigkeit, nur mit dem Unterschied, dass sich nicht die Molekülbewegung, sondern die Ausrichtung der Partikel ändert.

Theoretisch betrachtet bedeutet das, dass die bislang favorisierte sogenannte Gastheorie für angetriebene Partikel als Erklärung im Allgemeinen nicht ausreicht, um die Beobachtungen zu erklären. Es sieht eher so aus, als würden sich die Filamente kollektiv wie in einer Flüssigkeit bewegen.

„Wir brauchen neue theoretische Konzepte, die über das gasartige Bild, wie kollektive Bewegung entsteht, hinausgehen“, sagt LMU-Physiker Erwin Frey, dessen Forschung auch von der Exzellenzinitiative NIM gefördert wird. Was auf mikroskopischer Ebene beim gemeinsamen Ausrichten physikalisch passiert, also wie die Filamente reiben oder sich austauschen, ist bislang noch nicht geklärt. Ein besseres Verständnis der Physik aktiv getriebener Systeme würde es erlauben, vollkommen neuartige Nanosysteme, die im Kollektiv agieren, zu konstruieren.

Publikationen:
Polar pattern formation in driven filament systems requires non-binary particle collisions
Ryo Suzuki, Christoph A. Weber, Erwin Frey and Andreas R. Bausch
Nature Physics 2015
10.1038/nphys3423

Random bursts determine dynamics of active filaments
Christoph A. Weber, Ryo Suzuki, Volker Schaller, Igor S. Aranson, Andreas R. Bausch, and Erwin Frey
Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 2015
10.1073/pnas.1421322112

Kontakt:
Prof. Dr. Erwin Frey
LMU, Fakultät für Physik
Lehrstuhl für Biologische und Statistische Physik
E-Mail: frey@lmu.de

Luise Dirscherl | Ludwig-Maximilians-Universität München

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor
23.02.2017 | Universität Bayreuth

nachricht Kühler Zwerg und die sieben Planeten
23.02.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie