Morphogenese des hierarchisch strukturierten Biosilica der Kieselalgen: Theorie und Experiment

• Antragsteller: Professor Dr. Benjamin M. Friedrich; Professor Dr. Nils Kröger
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Biophysik ; Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 536338480

Die komplizierten Muster der Silica-Zellwände von Kieselalgen faszinieren gleichermaßen Biologen wegen ihrer genetisch bedingten Variabilität und strukturellen Komplexität, Ingenieure wegen ihres Anwendungspotenzials und Naturwissenschaftler und Laien wegen ihrer Schönheit. Trotzdem verstehen wir weder die physikalischen und chemischen Prinzipien, die die Selbstorganisation von Biosilica-Mustern mit regelmäßig angeordneten Rippen und Nanoporen steuern, noch sind Strukturen ähnlicher Komplexität durch Materialsynthese bereits heute zugänglich. Unser Ziel ist es daher, allgemeine Prinzipien der Bildung von Silica-Mustern bei zentrischen Kieselalgenarten aufzudecken. Um dies zu erreichen, schlagen wir eine Kombination aus physikalisch fundierter mathematischer Modellierung und gezielten genetischen Perturbationsexperimenten vor, um zu verstehen, wie hierarchisch-strukturierte Silica-Muster in einem sich ausdehnenden Morphogenese-Kompartiment entstehen. Dieses Projekt wird durch jüngste experimentelle Fortschritte möglich, die es erlauben den zeitlichen Verlauf der Morphogenese von Silica-Mustern zu untersuchen. Darüber hinaus baut das Projekt auf einer Zusammenarbeit zwischen den Gruppen Kröger und Friedrich auf, die bereits zu einem Modell für die Bildung von verzweigten Rippenmustern in einer ersten Kieselalgen-Art geführt hat. Unser Ziel ist es, ein allgemeines Modell in Form eines Reaktions-Diffusions-Systems mit Phasentrennung in einer wachsenden zweidimensionalen Domäne zu entwickeln, das (i) verzweigte Rippenmuster, (ii) transversale Verbindungen zwischen Rippen und (iii) regelmäßig angeordnete Poren in quantitativer Übereinstimmung mit dem Experiment beschreiben kann. Dabei sollen unterschiedliche Silica-Muster in drei prototypischen Kieselalgenarten durch interpretierbare Änderungen der Modellparameter erklärt werden. Durch die Untersuchung von Kieselalgen als Modellsystem hoffen wir ein mechanistisches Verständnis dafür zu entwickeln, wie lebende Zellen Minerale formen können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen