Eine Brücke bauen vom Großen zum Kleinen

Für viele lebenswichtige Prozesse wie Zellteilung, Zellwanderung und die Entwicklung von Organen ist die räumlich und zeitlich korrekte Ausbildung biologischer Muster essentiell. Um diese Prozesse zu verstehen, besteht die Hauptaufgabe nicht darin, zu erklären, wie aus einem homogenen Ausgangszustand Muster entstehen, sondern zu erklären, wie sich einfache Muster in immer komplexere verwandeln. Die Mechanismen dieser komplexen Selbstorganisation auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen aufzuklären, ist eine zentrale Herausforderung für die Wissenschaft.

Sogenannte „Coarse-Graining“-Techniken erlauben es, solche Mehrskalensysteme zu vereinfachen, so dass sie mit einem reduzierten Modell auf großen Längen- und Zeitskalen beschrieben werden können. „Der Preis für die Grobkörnung ist jedoch, dass wichtige Informationen über die Muster auf kleinen Skalen – wie der Mustertyp – verloren gehen. Aber die Sache ist, dass diese Muster in biologischen Systemen eine entscheidende Rolle spielen. Um nur ein Beispiel zu nennen steuern sie wichtige zelluläre Prozesse“, erklärt Laeschkir Würthner, Mitglied des Teams um den LMU-Physiker Prof. Erwin Frey und Erstautor einer neuen Studie, die im veröffentlicht wurde Proceedings of the National Academy of Sciences das überwindet dieses Problem.

In Zusammenarbeit mit der Forschungsgruppe von Prof. Cees Dekker (TU Delft) hat Freys Team einen neuen Coarse-Graining-Ansatz für sogenannte masseerhaltende Reaktions-Diffusions-Systeme entwickelt, bei dem die großräumige Analyse der Gesamtdichten von die beteiligten Partikel ermöglichen die Vorhersage von Mustern auf kleinen Skalen.

Das Potenzial ihres Ansatzes veranschaulichten die Wissenschaftler am Min-Proteinsystem, einem paradigmatischen Modell für die biologische Musterbildung. Das Bakterium E. coli bestimmt anhand verschiedener in einer Zelle zirkulierender Min-Proteine, an welchem ​​Ort die Zellteilung stattfindet. Entscheidend dabei ist, dass die beteiligten Proteine ​​je nach Ort in der Zelle und chemischem Zustand unterschiedlich häufig vorkommen, also unterschiedlich dicht sind.

„Wir haben es nun geschafft, die Komplexität dieses Systems zu reduzieren, indem wir eine Theorie entwickelt haben, die ausschließlich auf der Gesamtdichte der Proteine ​​basiert, sodass wir die Dynamik der Musterbildung vollständig abbilden können“, sagt Frey. „Dies ist eine enorme Reduzierung. Die numerischen Berechnungen werden jetzt in wenigen Minuten statt in Monaten durchgeführt.“

Theoretische Vorhersagen des Modells, wonach die Verteilung der Proteine ​​von der Geometrie der Umgebung abhängt, konnten die Forscher experimentell bestätigen. Sie taten dies, indem sie das Min-Proteinsystem in einer In-vitro-Durchflusszelle rekonstruierten, wobei die Ergebnisse die gleichen Proteinmuster zeigten, die in der Simulation gezeigt wurden.

„Eine solche Rekonstruktion von Informationen auf einer kleinen Längenskala aus reduzierter Dynamik auf makroskopischer Ebene eröffnet neue Wege für ein besseres Verständnis komplexer Mehrskalensysteme, die in einer Vielzahl physikalischer Systeme vorkommen“, sagt Frey.