Eine generische Theorie für metachronale Wellen

• Antragsteller: Dr. Sebastian Fürthauer
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung in 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 237991077

Jede kontinuierlich arbeitende Maschine folgt einem klar definierten Arbeitszyklus. Dies gilt insbesondere auch für Motorproteine wie Kinesin und Myosin und aktive Zellstrukturen, wie z. B. schlagende Zilien. Das kontinuierliche Durchlaufen des Arbeitszyklus einer Maschine lässt sich durch eine periodische Phasenvariable darstellen. Wir schlagen vor, die generischen Theorien für aktive Flüssigkeiten, die bereits erfolgreich zur Beschreibung der Mechanik des Zytoskeletts, wachsender Gewebe und von Suspensionen schwimmender Bakterien angewandt wurden, um eine derartige Phasenvariable zu erweitern. Dieser Ansatz wird es uns ermöglichen Phänomene wie zum Beispiel die Phasensynchronisation aktiver Prozesse zu laufenden metachronalem Phasenwellen, zu untersuchen.Unser Projekt ist durch mehrere biologisch relevante Prozesse in welchen Phasensynchronisation und Phasenwellen beobachtet werden motiviert. Unser besonderes Interesse gilt dabei dem Studium metachronaler Wellen in Teppichen schlagender Zilien.Zilien spielen in zahlreichen biologischen Prozessen eine wichtige Rolle. Beispielsweise sind sie für den Transport von Mucus in der menschlichen Lunge und im Gehirn verantwortlich. Außerdem sind sie an der Motilität von Mikroorganismen, wie z.B. der Alge Volvox oder des Pantoffeltierchens Paramecium, beteiligt. In der Entwicklungsbiologie von Wirbeltieren sind sie an der Brechung der Links-Rechts-Symmetrie des heranwachsenden Organismus beteiligt. Defiziente Zilien sind die Ursache einer Vielzahl menschlicher Erkrankungen. Eine der Hauptaufgaben schlagender Zilien besteht darin, kollektiv Flüssigkeitsströmungen zu erzeugen. Im gesunden Organismus geschieht dies auf effiziente Weise durch die Synchronisation der Schlagmuster zu metachronalen Oberflächenwellen. Wie diese Synchronisation erfolgt ist bis dato nur mangelhaft erforscht.Die von uns zu entwickelnde Theorie wird es ermöglichen, die Voraussetzungen für die Bildung metachronaler Wellen sowie die von metachronalen Wellen auf die umgebende Flüssigkeit ausgeübten Kräfte und Drehmomente zu untersuchen, und damit die dem Flüssigkeitstransport durch Zilienteppiche zugrunde liegenden Prinzipien zu ergründen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Indien
• Gastgeber: Professor Dr. Sriram Ramaswamy