Im Rahmen von Experimenten, die durch das European Research Council (Advanced Grant SelfOrg) und die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) unterst\u00fctzt wurden, haben M\u00fcnchener Physiker eine revolution\u00e4re Entdeckung gemacht, die v\u00f6llig neue Einblicke in die Vielfalt biologischer Prozesse gew\u00e4hrt. Ein Team um die Professoren Andreas Bausch der Technischen Universit\u00e4t M\u00fcnchen (TUM) und Erwin Frey der Ludwig-Maximilians-Universit\u00e4t (LMU), hat bei der Untersuchung eines aktiven Modellsystems entdeckt, dass es bei Systemen, deren Teile sich aktiv bewegen \u2013 wie zum Beispiel Vogelschw\u00e4rmen, Bakteriensuspensionen oder auch dem Zytoskelett, das aus fadenf\u00f6rmigen Zellstrukturen besteht \u2013 einzigartige Ph\u00e4nomene der Musterbildung gibt: Es k\u00f6nnen, trotz identischer Ausgangsbedingungen, gleichzeitig zwei unterschiedliche Zust\u00e4nde existieren, die sich dynamisch ineinander umwandeln.<\/p>\n
Bei einer solchen \u201eaktiven Materie\u201c k\u00f6nnen sich aber nicht nur gleichzeitig verschiedene dynamische Muster bilden, es werden auch auf mikroskopischer Ebene sehr subtile Variationen auf makroskopischer Ebene nicht nivelliert. Im Gegenteil. Sie haben gro\u00dfe Auswirkungen auf das Gesamtsystem.<\/p>\n
Als Modellsystem verwendeten die Forscher den sogenannten Motility Assay, einen Test, bei dem Proteine, sogenannte Aktinfilamente, auf einen \u201eTeppich\u201c aus Motorproteinen gegeben werden. Die Filamente binden an die Motorproteine und werden von diesen weiter transportiert. \u201eIn der Regel fahren die Filamente auf den Motorproteinen in wellenartigen Clustern\u201c, sagt Lorenz Huber, Doktorand in Freys Team, und zusammen mit seinen Kollegen Ryo Suzuki und Timo Kr\u00fcger Erstautor des Papers.<\/p>\n
Bei weiteren Experimenten in Prof. Bauschs Labor fanden die Wissenschaftler heraus, dass sehr kleine lokale Modifikationen das System auf makroskopischer Ebene grundlegend \u00e4ndern k\u00f6nnen. So wird zum Beispiel durch die Zugabe einer kleinen Menge Polyethylenglycol das f\u00fcr die Aktinfilamente verf\u00fcgbare Volumen reduziert. Dadurch ver\u00e4ndert sich nicht nur die H\u00e4ufigkeit, sondern auch die Art der Wechselwirkungen, und das Ergebnis sind Muster, die an sich kreuzende Ameisenstra\u00dfen erinnern. \u201eGew\u00f6hnlich wird davon ausgegangen, dass auf gr\u00f6\u00dferen Skalen kleine Details nicht mehr von Belang sind \u2013 in diesem System allerdings wirken sich kleine Unterschiede immer st\u00e4rker aus, je weiter man aus dem System hinaus zoomt\u201c, erkl\u00e4rt Bausch.<\/p>\n
In einem neu entwickelten, theoretischen Modell, das die Bewegung der Filamente abbildet und die experimentellen Ergebnisse widerspiegelt, konnten die Forscher demonstrieren, dass es einen Parameterbereich gibt, in dem sowohl Wellenmuster als auch Ameisenstra\u00dfen entstehen k\u00f6nnen \u2013 und in dem beides stabile Zust\u00e4nde sind. \u201eMit dieser Bistabilit\u00e4t haben wir eine ganz neue Phase der Materie identifiziert\u201c, sagt Frey. In weiteren Laborexperimenten konnten beide Zust\u00e4nde gleichzeitig erzeugt werden. Hierbei \u201el\u00f6schen\u201c die polaren Wellen die Ameisenstra\u00dfen, w\u00e4hrend sie dar\u00fcber laufen, hinterlassen aber gleichzeitig eine Art Mor\u00e4ne, die dann wieder zu einer Ameisenstra\u00dfe wird. Zwischen den beiden Mustern entsteht ein dynamisches Wechselspiel.<\/p>\n
Die Wissenschaftler sind der Ansicht, dass die Erkenntnis, dass aktive Systeme die F\u00e4higkeit haben, bei identischen Ausgangsbedingungen unterschiedliche Muster auszubilden, entscheidende Auswirkungen auf mehrere Forschungsbereiche haben und neue Einblicke in biologische Prozesse erm\u00f6glichen k\u00f6nnte.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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