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Teilchensimulationen zur Selbstorganisation

Kometen aus lebender Materie

| Autor / Redakteur: Carolin Hoffrogge-Lee* / Christian Lüttmann

Mischungen von Produzenten- und Konsumentenpartikeln können sich in vielerlei Hinsicht selbst organisieren (Für Details, Bild anklicken).
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Mischungen von Produzenten- und Konsumentenpartikeln können sich in vielerlei Hinsicht selbst organisieren (Für Details, Bild anklicken). (Bild: MPIDS)

In Schwärmen sorgen einfache Regeln für Ordnung im Chaos. Auch bei Teilchen steuern einfache Wechselwirkungen untereinander, wie sich verschiedene Partikel in Mischungen verhalten. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation haben nun einen neuen Mechanismus der Selbstorganisation lebender Materie beschrieben und bei ihren Simulationen erstaunliche Effekte entdeckt.

Göttingen – Zellen und Mikroorganismen produzieren und absorbieren verschiedenste Arten von Chemikalien, von Nährstoffen bis hin zu Signalmolekülen. Dasselbe geschieht auf der Nanoskala innerhalb der Zellen selbst, wo Enzyme die Produktion und den Verbrauch der für das Leben notwendigen Chemikalien katalysieren. In einer Studie haben Jaime Agudo-Canalejo und Ramin Golestanian von der Abteilung „Physik lebender Materie“ am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS) und der University of Oxford einen allgemeinen Mechanismus gefunden, durch den sich solche chemisch aktiven Partikel gegenseitig wahrnehmen und letztendlich in vielfältiger Weise selbst organisieren können – seien es Zellen, Enzyme oder künstliche synthetische Kolloide.

Kometenhafte Cluster

Mit einer Kombination von theoretischen Methoden und Computersimulationen untersuchten die Forscher das Verhalten von Mischungen verschiedener Teilchenarten, die ein chemisches Signal erzeugen, absorbieren oder konsumieren, Dieses Signal zieht sie wiederum an oder stößt sie ab. Dabei fanden Wissenschaftler heraus, dass sich die Partikel spontan und in verschiedenen Konfigurationen zu Clustern zusammenfinden oder voneinander entfernen, abhängig von den Eigenschaften der einzelnen Teilchenarten sowie vom Mischungsverhältnis der Arten.

Mischungen einer Produzenten- und einer Konsumentenart können sich beispielsweise unter bestimmten Bedingungen vollständig in zwei separate Cluster aufteilen, sich unter anderen Bedingungen jedoch zu einem Cluster mit einer genau definierten Zusammensetzung zusammenschließen. Besonders interessant war für die Forscher, dass diese Cluster spontan anfangen können, sich wie ein Komet aus eigenem Antrieb heraus zu bewegen. Dabei wird eine dicht gedrängte Gruppe von Produzenten von einem Schweif von Konsumenten verfolgt beziehungsweise umgekehrt.

Durcheinander von Aktion und Reaktion

Nach Agudo-Canalejo und Golestanian ist dieses chemisch vermittelte Zusammenwirken eine Besonderheit, da es gefühlt dem dritten Newton‘schen Gesetz von gleicher Aktion und Reaktion widerspreche. Eigentlich würde man erwarten, dass ein Partikel, der einen anderen anzieht, sich auch gleichzeitig selbst dem angezogenen Partikel nähert. Den Simulationen der Forscher zufolge muss das aber nicht sein. Ein Beispiel: Ein Partikel der einen Spezies kann von einem Partikel der anderen Spezies angezogen werden, während die zweite von der ersten abgestoßen wird. Im Ergebnis verfolgt dann ein Partikel den anderen.

Diese Besonderheit sei laut den Forschern eine direkte Folge der chemischen Aktivität, die für lebende Materie charakteristisch ist. Sie ist damit für das große Spektrum an Selbstorganisation mitverantwortlich, das in solchen System beobachtet werden kann, in einem nichtlebenden System jedoch fehlen würde.

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Zellmigration besser verstehen

„Wir erwarten, dass sich unser Minimalmodell auf eine Vielzahl von Problemen in Biologie und Technik anwenden lässt. Die beobachteten sich selbst antreibenden Cluster können beispielsweise relevant sein, um Mechanismen der kollektiven Migration von Zellen oder Mikroorganismen in heterogenen Geweben oder Kolonien zu verstehen. Auf einer viel kleineren Skala innerhalb der Zelle kann das Modell erklären, warum Enzyme, die gemeinsam an katalytischen Prozessen teilnehmen, dazu neigen, auch räumlich nahe beieinander zu sein – eine Beobachtung, die bisher keine generische Erklärung hatte“, betont Erstautor Agudo-Canalejo.

MPI-Direktor Golestanian ergänzt: „Wir halten auch Anwendungen in der Entwicklung von aktiven Materialien für möglich, bei denen sich synthetische Partikel, die chemische Reaktionen katalysieren, selbstständig zu einem größeren Ganzen zusammensetzen.“

Originalpublikation: Jaime Agudo-Canalejo and Ramin Golestanian: Active phase separation in mixtures of chemically interacting particles, Phys. Rev. Lett. 123, 018101 – Published 3 July 2019; DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.018101

* C. Hoffrogge-Lee, Max-Planck-Institut f. Dynamik u.Selbstorganisation, 37077 Göttingen

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