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

Das afrikanische Trypanosom, ein einzelliger Parasit und außergewöhnlicher Mikroschwimmer, verursacht die lebensbedrohliche Schlafkrankheit bei Menschen. Es verwendet ein eukaryotisches Flagellum, das am spindleförmigen Zellkörper fest angeheftet ist. Eine Biegewelle, die entlang des Flagellums läuft, verformt den gesamten Zellkörper und treibt das Trypanosom dadurch vorwärts. Trypanosomen bewegen sich nicht nur durch Blutgefäße, sondern sie müssen auch in Geweben navigieren, wie Haut, Fettgewebe, und Organen, wo sie auch interstitielle Strömungen erfahren. Sie bewegen sich um Zellen herum durch die extrazelluläre Matrix, einem Netzwerk von elastischen Fasern wie Kollagen, oder sie müssen sich durch enge Passagen zwischen Zellen durchzwängen, auch auf ihrem Weg ins Gehirn, und sie schwimmen durch Lymphgefäße, die Ventile enthalten. In der beendeten Förderperiode dieses Projektes, haben wir angefangen zu untersuchen, wie das Trypanosom in solchen einschränkenden und komplexen Umgebungen sich bewegt. Das basiert auf einem in silico Modell, das wir früher in Zusammenarbeit mit der Gruppe von M. Engstler (Würzburg) entwickelt haben. In der neuen Förderperiode dieses Fortsetzungsantrags planen wir unsere Untersuchungen fortzusetzen, auch in Zusammenarbeit mit der Gruppe von M. Weiss (Bayreuth). Die komplexen Umgebungen, die das Trypanosom antrifft, werden durch zwei Prinzipien bestimmt: Geometrie und Deformierbarkeit, die wir in generischen Situationen mit zunehmender Komplexität untersuchen werden, auch in der Anwesenheit von Strömungen. Dazu führen wir mit unserem in silico Modell-Trypanosom hydrodynamische Simulationen durch, für die wir die Methode der Viel-Teilchen-Stoßdynamik verwenden. Wir werden untersuchen, wie das Modell-Trypanosom sich durch die enge Passage zwischen zwei deformierbaren Hindernissen durchzwängt und wie es ein biegbares Ventil in einem Kanal öffnet, der ein Lymphgefäß imitiert. Wir werden dann ausführlich den Schwimmpfad des Trypanosoms in einem elastischen Faser-Netzwerk als Modell für Kollagen untersuchen, das wir mit Hilfe von Kugel-Feder-Ketten mit Biegesteifigkeit konstruieren. Schließlich schauen wir uns Aspekte des Navigierens in Gewebe an, indem wir uns auf die Packung und Deformierbarkeit von Zellen konzentrieren. Wir imitieren diese Eigenschaften durch geordnete und ungeordnete Anordnungen von deformierbaren Hindernissen mit Zylindergestalt. Das wird uns einem Verständnis näherbringen, wie Trypanosomen sich in verschieden Arten von Gewebe bewegen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Markus Engstler; Professor Dr. Matthias Weiss