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Projekt
Flagellen- und Zilien-getriebene Mikroschwimmer
Antragsteller
Dr. Jens Elgeti; Professor Dr. Gerhard Gompper
Fachliche Zuordnung
Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
Biophysik
Theoretische Physik der kondensierten Materie
Biophysik
Theoretische Physik der kondensierten Materie
Förderung
Förderung von 2014 bis 2021
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 254575174
Eukaryotische Mikroschwimmer schwimmen oft mit Hilfe von Zilien, haarfeinen Organellen, die mit einem peitschenähnlichen Schlag die umgebende Flüssigkeit parallel zur Zelloberfläche bewegen, oder von Flagellen, filament-artigen Organellen, die eine schlangenförmige Bewegung ausführen. Tatsächlich haben Zilien und Flagellen im Wesentlichen dieselbe zugrunde liegende Struktur, und werden von dergleichen aktiven Protein-Maschinerie angetrieben. Mikroschwimmer vieler verschiedener Längenskalen, vom Einzeller wie der grünen Alge Chlamydomonas bis zu sphärischen Zellkolonien wie Volvox, nutzen einzelne bis zu tausende von Zilien für ihre Bewegung. Für durch Flagellen angetriebene Mikroschwimmer sind Spermien das wichtigste Beispiel.In der letzten Förderperiode haben wir theoretisch und numerisch ("in silico") die Bewegung von Spermien in der stark eingeschränkten Geometrie strukturierter mikrofluidischer Kanäle untersucht, ebenso wie die Dynamik des Flagellenschlags von Spermien, die mit ihrem Kopf an einer Oberfläche verankert sind. Die Ergebnisse für den Ablenkungswinkel von Spermien, die um die Ecken eines zickzack-förmigen Mikrokanals schwimmen, stimmen sehr gut mit Experimenten überein. Dabei zeigt sich eine wesentliche Rolle unterschiedlicher Schlagmuster. Die Analyse des Schlagmusters verankerter Spermien zeigt einen signifikanten Beitrag einer zweiten harmonischen Frequenz, die sich als relevanter Mechanismus für die Steuerung der Spermienbewegung herauskristallisiert. Für Mikroschwimmer mit hoher Zilienzahl ergeben die Simulationen ein komplexes dynamisches Verhalten, das sowohl durch das Strömungsfeld um den Körper als auch durch die Anordnung der Zilien bestimmt wird. In der nächsten Förderperiode möchten wir die Spermienbewegung in komplexen Geometrien und mit unterschiedlichen Schlagmustern theoretisch und numerisch untersuchen. Insbesondere werden wir die Konsequenzen der zweiten harmonischen Frequenz und der Schlagamplitude auf die Bewegung von Spermien in drei Dimensionen, in chemischen Gradienten und in eingeschränkten Geometrien betrachten.Darüber hinaus wollen wir Volvox-ähnliche Mikroschwimmer, mit einer großen Anzahl von Zilien, simulieren. Vor kurzem durchgeführte Experimente weisen auf eine starke Abhängigkeit der metachronalen Koordination von der mechanischen Verankerung der Zilien hin. Die Schwimmbewegung solcher Mikroschwimmer scheint aber wiederum sehr stark durch die metachronale Koordination bestimmt zu werden. Wir werden deshalb Volvox-ähnliche Mikroschwimmer mit unterschiedlicher Zilien-Verankerung und sowohl mit kontrollierter als auch mit selbst-organisierter metachronaler Koordination simulieren und untersuchen. Wesentliche Fragen sind dann die Richtung und die Persistenz der Schwimmbewegung, aber auch die Wechselwirkung von zwei Schwimmern und das kollektive Verhalten mehrerer solcher Mikroschwimmer.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
