Annäherung an Zellmembranen und deren Durchdringung durch Mikroschwimmer und selbstgetriebene Teilchen

• Antragsteller: Dr. Abdallah Daddi Moussa Ider
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 401729922

Unser Ziel in diesem Projekt ist es, ein breites Verständnis für die Annäherung an und die Durchdringung von Zellmembranen durch selbstgetriebene aktive Teilchen sowohl theoretisch als auch numerisch zu erarbeiten. Das Projekt strukturiert sich in zwei Hauptteile, die im Folgenden beschrieben werden. Zunächst ist ein ausgeprägtes Verständnis für das Verhalten und die Dynamik aktiver Partikel in der Nähe von Membranen vor dem physischen Kontakt entscheidend, um in einem zweiten Schritt ihr Eindringen in den Zellinnenraum zu verstehen. Der erste Teil dieses Projektes wird sich daher diesem ersten Themenkomplex widmen. Hierzu werden wir den diffusiophoretischen Selbstantriebsmechanismus eines katalytisch getriebenen Teilchens, das sich aufgrund einer chemischen Reaktion auf seiner Oberfläche in der Nähe einer Zellmembran bewegt, analytisch beschreiben. Die Rolle des Fluids und hydrodynamischer Wechselwirkungen wird mit einer entsprechenden Kontinuumsbeschreibung des Fluids explizit berücksichtigt. Bisherige Arbeiten konzentrierten sich nur auf den Selbstantrieb in der Nähe von steifen Wänden. Die gerichtete Bewegung in der Nähe deformierbarer Membranen wurde darin nicht behandelt. In unserem Fall wird das physikalische Zusammenspiel zwischen der chemischen Aktivität und der Membranelastizität voraussichtlich zu einer sehr reichhaltigen Phänomenologie führen. Dabei werden unsere Berechnungen mit einer Vielzahl unterschiedlicher Modelle von Mikroschwimmern durchgeführt, einschließlich des Squirmer-Modells und eines Modells, das die höheren Ordnungen des Fernfeldflussfeldes explizit mit einbezieht. Unsere theoretischen Vorhersagen werden dann durch "boundary integral"-Simulationen getestet und validiert. Im zweiten Teil des Projekts werden wir dann den Eindringvorgang eines selbstgetriebenen Teilchens in eine Zellmembran untersuchen, nachdem der physische Kontakt hergestellt ist. Für dieses Ziel werden wir mesoskopische Simulationen auf der Grundlage der "dissipative particle Dynamics"-Methode durchführen, um den physischen Eintritt eines durch Diffusiophorese selbstgetriebenen aktiven Partikels in die Lipiddoppelschichtmembran zu untersuchen. Hierbei werden wir den Einfluss unterschiedlicher Partikelgröße und -form analysieren. Darüber hinaus werden wir die aufgrund der Flüssigkeit und der Elastizität der Membran resultierenden Wechselwirkungen zwischen zwei aktiven Partikeln untersuchen. Unsere Simulationen werden dann ergänzt und vervollständigt durch theoretische Berechnungen unter Verwendung von asymptotischen Analysen und von Skalierungsargumenten, um den Mechanismus bei der Bindung eines aktiven Partikels an die Zellmembran zu untersuchen. Entsprechende Messungen zu biokompatiblem Selbstantrieb in der Nähe von lebenden Zellen und zum Durchdringen der Zellmembranen werden in Kollaboration mit experimentellen Gruppen analysiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen