Ein multiskaliges Framework für biochemische Reaktionsdiffusionsprozesse: ein offener Systemansatz.

• Antragsteller: Dr. Mauricio del Razo Sarmina, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 455489234

Biochemische Reaktionssysteme in lebenden Zellen tauschen kontinuierlich Partikel und Energie mit ihrer Umgebung aus. Dabei verbrauchen sie chemische Energie und geben Wärme ab. Sie arbeiten nämlich in einem offenen Nichtgleichgewichtszustand. Darüber hinaus sind diese Systeme von Natur aus mehrskalig. Diese Skalen sind eng miteinander gekoppelt, sodass beispielsweise eine einzelne Punktmutation in einem Protein die biochemischen Wechselwirkungen auf makroskopischer Ebene beeinflussen kann. Es ist daher von grundlegender Bedeutung, einen einheitlichen theoretischen und rechnerischen Formalismus für biochemische Reaktionssysteme mit mehreren Skalen in offenen Nichtgleichgewichstsystemen zu entwickeln. Die Entwicklung dieses einheitlichen Formalismus ist das vorrangige Ziel dieses Projekts.Ein solcher Formalismus bietet eine physikalische und mathematische Verbindung zwischen Modellen auf verschiedenen Skalen, wodurch Parameter und physikalische Konzepte über diese Skalen hinweg in Beziehung gesetzt werden. Wir planen, diese Verbindungen zu nutzen, um konsistente Multiskalenschemata zu entwickeln und offene Nichtgleichgewichtsreaktions-Diffusionssysteme zu charakterisieren, die auf der Entstehung von und Beziehung zwischen physikalischer Größen bei verschiedenen Maßstäben basieren.Während des gesamten Projekts planen wir, unsere Ergebnisse auf die Modellierung biochemischer Zellsensoren anzuwenden. Diese befähigen eine Zelle, Konzentrationsgradienten in ihrer Umgebung zu messen. Häufige Beispiele sind Geruchsrezeptoren und chemische Synapsen zwischen Neuronen; beide können auf Schwankungen von nur wenigen Molekülen in ihrer Umgebung reagieren. Da diese Prozesse über mehrere Skalen hinweg ablaufen und mit offenen Umgebungen interagieren, ist unser Formalismus ideal, um diese Prozesse zu modellieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Hong Qian, Ph.D.