Ein in silico Modell des afrikanischen Trypanosoms: Fortbewegung in komplexer Umgebung

• Antragsteller: Professor Dr. Holger Stark
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 504947458

Typanosoma brucei ist ein einzelliger Parasit, der die Schlafkrankheit verursacht, eine tödliche Krankheit für Menschen und auch für Vieh. Der Zellkörper des Trypanosoms hat die Gestalt einer Spindle, an die ein eukaryotisches Flagellum geheftet ist. Während eine Biegewelle entlang des Flagellums läuft, zeigt das Trypanosom charakteristische Verformungen und bewegt sich vorwärts. In früheren Arbeiten haben wir ein akkurates in silico Modell-Trypanosom entwickelt in enger Zusammenarbeit mit der Gruppe von M. Engstler basierend auf der Analyse lebender Zellen. Es bildet das Schwimmverhalten des realen Trypanosoms sehr gut nach und ermöglicht die Untersuchung von in silico Mutanten.Während man das Afrikanische Trypanosom typischerweise im Blutstrom verortet,hat die Forschung im letzten Jahrzehnt klar gezeigt, dass ein beträchtlicher Anteil des Parasits auch in Gewebe außerhalb der Blutgefäße zu finden ist. Trypanosomen bewegen sich in der komplexen Umgebung von Haut, Fettgewebe, im extrazellulären Raum und im Gehirn. Sie müssen sich durch enge Passagen durchzwängen, um neue Umgebungen zu erreichen, oder zwischen Fettzellen schwimmen. In der extrazellulären Matrix treffen sie auf Kollagen-Fasern, die ein dichtes elastisches Netzwerk bilden, oder sie wechselwirken mit einer Packung von Fettzellen und deren elastischen Oberflächen. Und sie sind der Strömung der interstitiellen Flüssigkeit ausgesetzt.Das Ziel des Projekts ist eine grundlegende computergestützte Untersuchung, in enger Zusammenarbeit mit Experimenten in der Gruppe von M. Engstler, wie sich das in silico Trypanosom in komplexer Umgebung bewegt einschließlich von Flüssigkeitsströmungen, die wir mit der Methode der Viel-Teilchen-Stoßdynamik simulieren. Indem wir die Komplexität der Umgebung Schritt für Schritt erhöhen, wollen wir ein umfassendes Verständnis erlangen, wie verschiedene Eigenschaften das Schwimmverhalten des Trypanosoms beeinflussen. Konkret werden wir das schwimmende in silico Trypanosom in begrenzenden Geometrien auch in der Strömung untersuchen. Dazu implementieren wir Mikrokanäle mit zunehmender Einschränkung und mit Verengungen, sowie Felder von Hindernissen, wo wir uns geometrisches Schwimmen anschauen. Dann wenden wir uns zwei Arten von elastischen Deformationen in der Umgebung zu. Mit Hilfe von Kugel-Feder-Ketten werden wir das stark deformierbare Kollagen-Netzwerk modellieren mit variierender Dichte und Fasersteifigkeit. Schließlich werden wir uns dem Schwimmen in Fettgewebe annähern, indem wir weiche Hindernisse über Hertzsche Kontaktkräfte implementieren. Das bringt uns näher an die realen Umgebungen heran.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Markus Engstler