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Zellen unter Spannung

06.11.2019

Dresdner Forscher wollen die Bewegung von Zellen mathematisch untersuchen. Dies fördert die DFG mit einem Forschungsstipendium.

Professor Sebastian Aland von der HTW Dresden und Dr. Elisabeth Fischer-Friedrich vom Biotechnologischen Zentrum (BIOTEC) der TU Dresden erhalten ein dreijähriges Forschungsstipendium in Höhe von 400.000 Euro von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG).


Simulation der Dehnung, die in einer elastischen Kortexhülle nach uniaxialer Kompression erzeugt wird

Sebastian Aland


Aktive Kraftgeneratoren (Myosin), die Muster im Kortex einer zusammengedrückten, sich teilenden Zelle bilden

Elisabeth Fischer-Friedrich

Gemeinsam wollen die Wissenschaftler die „Viskoelastische Dynamik des Zellkortex“ untersuchen. „Als viskoelastisch bezeichnet man Materialien, deren Verhalten sowohl viskos (flüssig) als auch elastisch ist. Alltagsbeispiele sind zum Beispiel Zahnpasta oder Cremes, aber auch die Zellen unseres Körpers sind viskoelastisch.“, erläutert Sebastian Aland.

Um den Zellkortex, die Skelettstruktur, welche tierische Zellen umhüllt, besser zu verstehen, untersuchen die Physikerin und der Mathematiker, durch welche physikalischen Mechanismen sich chemische Muster im Zellkortex bilden.

Professor Aland: „Zellen stehen ständig unter mechanischer Spannung. Vergleichen sich das mit der elastischen Hülle eines Luftballons. Die Spannung wird deutlich spürbar, wenn man in den Luftballon sticht und er platzt. Bei Zellen entsteht diese Spannung allerdings nicht durch eine elastische Hülle, sondern durch Proteine im Zellkortex, die versuchen die Oberfläche der Zelle zusammenzuziehen. Durch gezielte Veränderungen der Proteinverteilung können Zellen beeinflussen, welche Bereiche ihrer Oberfläche sich zusammenziehen. Somit können sie bewusst ihre Form verändern, zum Beispiel, um sich bei der Zellteilung in zwei Hälften zu zerteilen.“

Der Professor für Simulation und Modellierung entwickelt mathematische Gleichungen, die das dabei stattfindende Wechselspiel zwischen der Strömung des Zellplasmas, der Zellform und den chemischen Prozessen auf der Zelloberfläche beschreiben. Das Zellinnere und der Zellkortex werden anschließend durch bewegte dreidimensionale Gitter repräsentiert, auf denen die entstandenen Gleichungen gelöst werden.

Das Projekt ist Teil der neuen DFG-Forschungsgruppe an der TU Dresden „Vector- and Tensor-Valued Surface PDEs”. Die Forschungsgruppe unter Leitung von Professor Axel Voigt (TU Dresden) wird neue Methoden entwickeln, um partielle Differentialgleichungen (PDE) mit Hilfe des Computers zu lösen.

Der Fokus liegt dabei auf Gleichungstypen, die auf gekrümmten Oberflächen definiert sind und tensor- oder vektorwertige Größen beschreiben. Durch solche Gleichungen lässt sich zum Beispiel die Mechanik der Verformung von tierischen Zellen beschreiben. Ziel ist es, durch ein besseres Verständnis biologischer Prozesse langfristig neue Entwicklungen in der Medizin, zum Beispiel in der Krebsforschung, voranzubringen.

Die DFG fördert Forschungsgruppen als Verbund herausragender Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die an einem Forschungsvorhaben auf internationalem Niveau arbeiten.

Professor Sebastian Aland ist seit 2017 an der HTW Dresden und entwickelt Methoden zur Modellierung und Simulation biologischer, physikalischer und chemischer Prozesse.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

HTW Dresden
Fakultät Informatik/Mathematik
Prof. Sebastian Aland
E-Mail: sebastian.aland@htw-dresden.de

Weitere Informationen:

http://www.htw-dresden.de
http://www.alandlab.de - Forschungsgruppe Prof. Aland

Constanze Elgleb | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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