F\u00fcr zahlreiche grundlegende Prozesse des Lebens ist die Bildung bestimmter Proteinmuster essenziell. Die durch molekulare Schalter gesteuerte Proteinmusterbildung l\u00e4uft \u2013 wie viele Vorg\u00e4nge in der Natur \u2013 weit von einem thermischen Gleichgewicht entfernt ab. F\u00fcr solche Nichtgleichgewichtsprozesse fehlt eine allgemeine Theorie, die erlaubt, die r\u00e4umliche Struktur der Proteinmuster vorherzusagen.<\/p>\n
Ein Team um den LMU-Biophysiker Professor Erwin Frey hat nun ein neues Konzept entwickelt, wie aus nicht gleichgewichtsgetriebenen Prozessen dennoch gleichgewichts\u00e4hnliche Gesetzm\u00e4\u00dfigkeiten hervorgehen k\u00f6nnen. Damit haben die Forschenden das Verst\u00e4ndnis der Musterbildung in Systemen, in denen mehrere Komponenten zusammenwirken, wesentlich erweitert.<\/p>\n
\u201eTuring-Sch\u00e4ume\u201c<\/p>\n
Das neue Konzept beruht darauf, dass Grenzfl\u00e4chenspannungen die Struktur eines Systems nahe des thermischen Gleichgewichtes steuern, indem sie daf\u00fcr sorgen, dass die Kontaktfl\u00e4che zwischen zwei Phasen minimiert wird. In Fl\u00fcssigkeiten bilden sich durch solche Grenzfl\u00e4chenspannungen Blasen und Sch\u00e4ume.<\/p>\n
In Reaktions-Diffusions-Systemen gibt es allerdings keinerlei mechanische Interaktionen der Proteine \u2013 und somit keine mechanischen Oberfl\u00e4chenspannungen wie bei Fl\u00fcssigkeiten \u2013 und doch entstehen schaumartige Netzwerke, die die Forschenden als \u201eTuring-Sch\u00e4ume\u201c bezeichnen: Bei diesen erzeugen chemische Reaktions-Diffusions-Fl\u00fcsse eine effektive Grenzfl\u00e4chenspannung, die die Struktur des Netzwerks bestimmt.<\/p>\n
Regeln f\u00fcr Vielteilchensysteme<\/p>\n
Den Forschenden gelang es, mithilfe dieses Mechanismus Gesetzm\u00e4\u00dfigkeiten zu entwickeln, die die Strukturbildung in diesen Systemen widerspiegeln. Der entscheidende Unterschied zu Sch\u00e4umen in Fl\u00fcssigkeiten ist: Fern vom Gleichgewicht kann das sonst unendliche Wachstum der mittleren Blasengr\u00f6\u00dfe stoppen und die Struktur \u201efriert\u201c auf einer endlichen Skala ein \u2013 es entsteht also ein bleibendes Muster.<\/p>\n
\u201eGenau dieses Verhalten beobachten wir in Experimenten mit dem bakteriellen Min-Protein-System \u2013 welches die symmetrische Zellteilung vieler Bakterien steuert \u2013 und erkl\u00e4ren es durch die von uns abgeleiteten Gesetze\u201c, sagt Henrik Weyer, Erstautor der Studie. Frey fasst zusammen: \u201eUnsere Arbeit zeigt, dass sich aus unterschiedlichen mikroskopischen Mechanismen universelle Regeln f\u00fcr Vielteilchensysteme ableiten lassen \u2013 Regeln, die nicht nur biologische Muster erkl\u00e4ren, sondern auch neue Wege f\u00fcr die Gestaltung synthetischer aktiver Materie er\u00f6ffnen.\u201c<\/p>\n