Modellierung von Form und Traktionskräften von sich bewegenden und extern perturbierten Zellen

• Antragsteller: Dr. Falko Ziebert
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 246963360

Die Bewegung eukaryotischer Zellen auf Substraten ist essentiell für viele biologische Funktionen, und dies sowohl im Entwicklungsstadium als auch im ausgeformten Organismus. Ihre Fehlfunktion ist ursächlich an zahlreichen Erkrankungen beteiligt. Andererseits sind motile Zellen ein wichtiger Repräsentant der Klasse der selbst-bewegten Objekte (self-propelled particles), die ein sehr aktuelles Thema in der Nichtgleichgewichtsphysik darstellen. Obwohl ein vollständiges Verständnis dieser Bewegungsart noch nicht erreicht wurde, so sind doch kürzlich Fortschritte, insbesondere in der Modellierung auf dem Niveau einer gesamten Zelle, erzielt worden. Das Ziel des vorausgegangenen Projektes war die Entwicklung eines Modelles, das alle wichtigen physikalischen Aspekte der Bewegug von Zellen auf Substraten beinhaltet und das eine simultane Vorhersage der Formen der Zelle und der von ihr auf das Substrat ausgeübten Traktionskräfte erlaubt, welche beide gerade die wichtigsten physikalischen Observablen der globalen Kräftebilanz darstellen. In der ersten Förderperiode entwickelten wir ein Modell mit ortsaufgelösten Traktionskräften, das eine Vielfalt von Zellformen und -dynamiken erlaubt und beschreibt. Zusätzlich konnten wir, stimuliert von kürzlichen experimentellen Untersuchungen, die Beschreibung der Zellmembrane wesentlich verbessern, namentlich durch Einbeziehung ihrer Spannung, die eine globale Kraftregulierung darstellt und der die Bewegung hervorrufenden Aktinpolymerisierung entgegenwirkt. Schließlich konnten wir unser Modell auf mehrere Zellen erweitern, was uns das Studium kollektiver Bewegungsformen von Zellen erlaubte. Mit unseren Vorarbeiten haben wir die wesentlichen Teilprobleme behandelt, was uns nun erlauben wird, unser gesetztes Ziel zu erreichen. Im Fortsetzungsprojekt (d.h. im dritten Jahr) werden wir die entwickelten Modellelemente zusammenführen, das Modell weiter verfeinern und letzlich an die experimentellen Daten unseres externen Kooperationspartners, A. Verkhovsky (Lausanne), von bewegten und sich polarisierenden (d. h. die Bewegung initiierenden) Keratozyt-Zellen anpassen. Zusätzlich werden wir, aufbauend auf der Modellerweiterung auf mehrere Zellen sowie experimentell durch unseren Kooperationspartner, Zusammenstöße von Zellen und Zellfragmenten untersuchen. Diese Analyse wird nicht nur die Genauigkeit des (zu entwickelnden Gesamt-)Modells kritisch hinterfragen, sondern stellt auch eine aufschlußreiche Untersuchung des Responses einer sich bewegenden Zelle auf biologisch relevante (Stichworte: kollektive Bewegung und molekulares Crowding) externe Störungen dar. Neben der direkten Bedeutung für das Verständnis der Physik der Bewegung einzelner und mehrerer Zellen wird das in der Entwicklung befindliche Modell auch für andere biologische oder biomimetische getriebene Systeme der weichen Materie von Bedeutung sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweiz, USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Igor Aronson; Alexander Verkhovsky, Ph.D.