Numerische Simulation der Benetzung von Biomembranen durch biomolekulare Kondensate

• Antragsteller: Professor Dr. Sebastian Aland
• Fachliche Zuordnung: Mathematik ; Biophysik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 570692780

Biologische Zellen nutzen zahlreiche winzige, flüssigkeitsähnliche Tröpfchen, bekannt als biomolekulare Kondensate, um ihr Inneres zu strukturieren. Bahnbrechende Forschungsergebnisse zeigen, dass viele wesentliche biologische Prozesse in gesunden Zellen von der Interaktion der Kondensate mit biologischen Membranen abhängen. Was bei diesen Interaktionen geschieht, ist jedoch größtenteils unklar, da sie ein komplexes Zusammenspiel von Flüssigkeitsströmung, Oberflächenkräften und Formdynamik beinhalten, welches sogar zu topologischen Veränderungen führen kann. Numerische Simulationen sind entscheidend, um diese wichtigen Phänomene auf den kleinen Längenskalen systematisch zu verstehen. Das Forschungsprojekt zielt darauf ab erste numerische Methoden in diesem hochaktuellen Forschungsbereich zu entwickeln. Eine Kopplung von diffusen und scharfen Grenzflächenrepräsentationen wird die Simulation gegenseitiger morphologischer Veränderungen von benetzenden Tröpfchen und Membranen ermöglichen. Die Methoden werden schrittweise erweitert, um bedeutende biophysikalische Mechanismen und Effekte wie Membranbindung, thermische Fluktuationen und topologische Veränderungen der Membran zu integrieren. Durch systematische numerische Studien und einen interdisziplinären Ansatz werden wir aufzeigen, wie Kondensate mit ihrer komplexen Umgebung interagieren und damit beitragen Einblicke in die raumzeitliche Organisation biologischer Zellen zu erlangen. Die Einführung erster numerischer Methoden kann nicht nur wegweisend für die Erforschung von Membran-Kondensat Wechselwirkungen sein, sondern bildet zugleich eine Grundlage zur Erschließung weiterer Forschungsfelder in denen elastische Oberflächen mit mehrphasigen Fluiden interagieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen