Fluidströmungen zur Steuerung der Morphologie: Wie Ströme das kollektive Verhalten von Protrusionen für gezielte Migration koordinieren.

• Antragstellerin: Professorin Dr. Karen Alim
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 443740179

Lebende Systeme stehen oft vor der Herausforderung, das kollektive Verhalten einzelner Einheiten über große räumliche Skalen hinweg zu koordinieren. Die Morphologie amöboider Zellen entsteht zum Beispiel durch die Koordination von zufällig auftretenden Protrusionen, die die gezielte Migration der Zelle ermöglichen. Um Informationen über große Entfernungen hinweg zu verbreiten, können Flüssigkeitsströmungen von entscheidender Bedeutung sein, da sie Signalmoleküle transportieren oder Druckänderungen schnell verbreiten können. Doch die Dynamik der Strömungen und die damit verbundenen Herausforderungen bei der Bildgebung haben unser Verständnis für ihre Rolle bei der Koordination von kollektivem Verhalten und Morphologie bisher eingeschränkt.Der Schleimpilz Physarum polycephalum wächst als eine einzige riesige Zelle von netzwerkähnlicher Form über Größenordnungen von 500 µm bis zu Dutzenden von cm. Aufgrund des großen Umfangs erfordern Chemotaxis und Morphogenese der gesamten Zelle einen Mechanismus zur Koordination konkurrierender Protrusionen. P. polycephalum ist bekannt für seine organismusweiten, zytoplasmatischen Flüssigkeitsströme, die sich in einer peristaltischen Welle über sein flüssigkeitsgefüllte, netzwerkartigen Körper erstrecken. Diese starken und großräumigen Strömungen machen diesen Organismus zu einem idealen Modell, um die Rolle von Flüssigkeitsströmungen bei der Koordination des kollektiven Verhaltens konkurrierender Protrusionen, während der morphologischen Veränderungen bei der Chemotaxis zu untersuchen.Wir werden Experimente zur Chemotaktisierung von P. polycephalum-Zellen unterschiedlicher Größe durchführen und die Dynamik einzelner Protrusionen sowie die chemotaktische Leistung der gesamten Probe quantifizieren. Korrelationen zwischen wachsenden und zurückziehenden Protrusionen im Laufe der Zeit werden uns dazu führen, den Mechanismus der Kommunikation zu identifizieren, der entweder diffuser oder strömungsbasierter Transport eines hemmenden Signals oder einfach hydrodynamische Kopplung innerhalb des geschlossenen Systems einer einzelnen Zelle sein könnte. Theoretische Simulationen des identifizierten Mechanismus werden unsere Ergebnisse bestätigen und unsere Analyse erweitern, um die Robustheit der Mechanismen zu Protrusionen während der gerichteten Migration steuern. Der Theorie, die entwickelt wird, ermöglicht es uns, die Zellmorphologie und die Randbedingungen leicht anzupassen, um die identifizierten Prinzipien auf andere Systeme zu übertragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen