Navigation von Spermien-Zellen in skalarer Turbulenz: Theorie der Chemotaxis von Spermienzellen in turbulenten Strömungen, sowie deren Anpassung an zeitlich veränderliche Konzentrations- und Geschwindigkeitsgradienten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Theorie-Projekt untersuchte die Navigation von Spermienzellen entlang von Konzentrationsgradienten von chemischen Botenstoffmolekülen in natürlichen Umgebungen, welche durch turbulente Strömungsfelder charakterisiert sind, also die Frage: „Wie finden Spermien das Ei, wenn Flüssigkeitsbewegungen stören?“ Dieses Thema ist nicht nur relevant für die Ökologie mariner Arten mit externer Befruchtung, sondern behandelt beispielhaft die grundlegende, biophysikalische Frage effizienter Navigation in räumlich und zeitlich veränderlichen Umgebungen; diese Frage ist gleichermaßen relevant für die Nahrungssuche von Mikroorganismen und Bakterien, und hat Potential für biomimetische Robotik. Der Projektmitarbeiter S. Lange entwickelte erfolgreich eine komplexe Computer-Simulation zur Untersuchung von Spermien-Chemotaxis in turbulenten Strömungen, deren Vorhersagen mit früheren experimentellen Daten sehr gut übereinstimmen, und welche weltweit einzigartig ist. Parallel entwickelte er ein reduziertes mathematisches Modell, mit dessen Hilfe die zugrundeliegenden Mechanismen nicht nur analytisch beschrieben, sondern mechanistisch verstanden werden konnten: auf kleinen Längenskalen deformieren Scherrströmungen die Konzentrationsfelder des Botenstoffes, welchen die Eizellen abgeben, zu langen Fäden mit erhöhter Konzentration; Spermienzellen müssen diese Konzentrationsfilamente erst finden, können dann aber durch chemotaktische Navigation zuverlässig entlang dieser Filamente zum Ei „surfen“. Mit unserem Modell können wir erstmalig erklären, warum moderate Turbulenz die Wahrscheinlichkeit, dass ein Spermium ein Ei zu findet und befruchtet sogar erhöht; die optimale Turbulenzstärke entspricht dabei den Werten die in natürlichen Lebensräumen z.B. von Seeigeln gemessen wurden. Diese Ergebnisse wurden in der renomierten Zeitschrift „PLoS Computational Biology“ veröffentlicht. Zusätzlich zu dieser Arbeit wurde eine bestehende Kernroutine der Simulation optimiert, so dass Berechnungen bis zu 40 mal effizienter durchgeführt werden konnten; von dieser Optimierung profitieren weitere Projekte in unserer Arbeitsgruppe und trug insbesondere zu einer weiteren Publikation in PLoS Comp. Biol. bei. Da ein Großteil des anvisierten Arbeitsplans bereits bearbeitet war, entschied ich mich, zusammen mit anderen Post-Docs informations-theoretische Prinzipien effizienter Navigation bei zusätzlichen Strörreinflüßen wie verrauschten Konzentrationsmessungen oder stochastischen Komponenten der Bewegung zu untersuchen. Diese Forschung führte bereits zu 3 Publikationen und einem Preprint und wird fortgeführt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Bayesian gradient sensing in the presence of rotational diffusion. New Journal of Physics, 23(4), 043026.
Novak, Maja & Friedrich, Benjamin M.
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Composite Search of Active Particles in Three‐dimensional Space Based on Non‐directional Cues. ChemNanoMat, 7(9), 1057-1062.
Kromer, Justus A.; Auconi, Andrea & Friedrich, Benjamin M.
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Sperm chemotaxis in marine species is optimal at physiological flow rates according theory of filament surfing. PLOS Computational Biology, 17(4), e1008826.
Lange, Steffen & Friedrich, Benjamin M.
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Gradient sensing in Bayesian chemotaxis. Europhysics Letters, 138(1), 12001.
Auconi, Andrea; Novak, Maja & Friedrich, Benjamin M.
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Information theory of chemotactic agents using both spatial and temporal gradient-sensing. Cold Spring Harbor Laboratory.
Rode, Julian; Novak, Maja & Friedrich, Benjamin M.
