Flussgetrieben cAMP-Wellen, phasengekoppelte Muster und Arnold-Zungen waehrend der Aggregation von Dictyostelium discoideum.

• Antragstellerin: Dr. Azam Gholami, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 313128348

Der zellulaere Schleimpilz Dictyostelium discoideum (D.d.), der auch als soziale Amoebe bezeichnet wird, ist ein wertvoller Modellorganismus fuer biologische Strukturbildungsprozesse und Entwicklungsbiologie. D.d. Zellen koennen sich, bei Nahrungsentzug, durch eine chemotaktische Reaktion auf den Botenstoff cyclisches Andenosinmonophosphat (cAMP) aufeinander zu bewegen und im weiteren Verlauf ihre Entwicklung einen multizellulaeren Organismus bilden, der einen Fruchtkoerper mit Sporen besitzt. Dieser Prozess wird durch die spontane Emission von cAMP-Pulsen initiert. Die Zellen in der naeheren Umgebung reagieren auf die Stimulierung durch den chemischen Botenstoff, indem sie sich auf dessen Quelle zu bewegen und ihrerseits den Botenstoff abgeben. Dadurch entstehen zirkulaere oder spiralfoermige cAMP-Wellen, die eine Periodizitaet von einigen Minuten aufweisen. Im natuerlichen Lebensraum der Amoeben, dem Waldboden, kann abfliessendes Regenwasser diesen Aggregationsprozess erheblich beeinflussen. Unsere bisherigen Arbeiten ueber flussgetriebenen cAMP-Wellen in einer Kolonie von D.d. Zellen haben gezeigt, dass externer Fluss die Prozesse der Wellengenerierung signifikant veraendern kann. Im experimentellen Teil dieses Projektes, wollen wir den Einfluss von flussgetriebenen cAMP-Wellen auf die Zellmigration und die Aggregationsmuster von D.d. untersuchen. Die Fragen, die wir dadurch beantworten wollen sind die folgenden: 1) Welchen Einfluss hat der Fluessigkeitsfluss auf die raumzeitliche Strukturbildung und die Zellmigration? 2) Wie wirkt sich das Vorhandensein von flussgetrieben cAMP-Wellen in fruehen Stadien der Zellentwicklung auf die Aggregationsmuster der D.d. Zellen in spaeteren Stadien aus? 3) Spielt Fluessigkeitsfluss eine signifikante Rolle in der Oekologie dieser Organismen im Waldboden? Weiterhin planen wir die selbstorganisierten, flussgetriebenen Wellen in der Gegenwart von externen cAMP-Pulsen zu untersuchen, um die Parameterbereiche , indem die Antwort des Systems nur von der Frequenz der Zugabe des externen cAMP bestimmt wird, zu erforschen. In getriebenen Schwingungssystemen wird die Abbildung mit der Regionen verschiedener Phasen-Verschraenkung gezeigt werden koennen als Arnold-Zungen-Diagramm bezeichnet. Die Bestimmung des vollstaendigen Arnold-Zungen-Diagramms waere ein Novum fuer ein lebendiges System. Im theoretischen Teil des Projektes werden wir die zweidimensionalen Berechnungen des Martiel-Goldbeter Modells auf drei Dimensionen ausweiten und die Rolle der cAMP Diffusion in drei Dimensionen untersuchen. Außerdem werden wir das Modell um die chemotaktische Zellmigration erweitern, um die Verteilung der Zellpopulation in der Gegenwart von flussgetriebenen cAMP-Wellen zu untersuchen. Weiterhin sollen anspruchsvolle numerische Simulationen durchgefuehrt werden, die die Uebergaenge der verschiedenen Regionen im Arnold Diagramm bestimmen werden und uns erlauben das Modell mit den experimentellen Ergebnisse zu vergleichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr. Albert Bae, Ph.D.; Professor Dr. Eberhard Bodenschatz; Privatdozent Dr. Vladimir Zykov