Forschung
AFachgebiet Theoretische Biologie der Universität Bonn

Publikationen | Zelluläre Bewegung | Schwärme und Suchverhalten | Biologische Oberflächen und Biofilme | Evolutionsökologie und -dynamik | Kollektives Wissen in biologischen Systemen | This page in English

Schwerpunktthema unserer Forschung ist die interaktive Dynamik bei biologischer Bewegung, Wachstum und Evolution. Natürlich sind wir auch anderen Fragestellungen gegenüber aufgeschlossen. Im Folgenden eine Übersicht über die von uns bearbeiteten Fragestellungen:

Zelluläre Bewegung

Thema Beispiele beteiligte Mitarbeiter Kooperationen
Molekulare Motoren   Martin Wiechert  
Polymerdynamik (SFB 611) Aktin-Filament-Systeme Edith Geigant, Dieter Felix, Wolfgang Alt Dr. Jürgen Lenz,
Zellform-Dynamik Keratinozyten, Spalthefe Schizosaccharomyces pombe Edith Geigant, Wolfgang Alt Dr. Jürgen Lenz; IZB
Zelladhäsion und -migration Vesikel Wolfgang Alt Till Bretschneider, Jürgen Lenz, Arthur Dent
Bewegung in Zellverbänden 2D Monolayer, Endothel, Epithel, Myxobakterien, Tumorzellen Wolfgang Alt, Michael Wurzel Schnitter (Uni Dresden)
 

Bewegung ist ein Zeichen des Lebendigen. Der Zeitgeist fordert von uns allen geistige und räumliche Mobilität. Deshalb strahlt das Baby bei seinen ersten Schritten, der Jugendliche schwingt sich aufs Fahrrad, und Michael Schumacher verdient im Rennauto Millionen. In diesen Beispielen sind es die menschlichen Muskeln, die Bewegung ermöglichen (in Michael Schumachers Fall die Wadenmuskulatur beim Treten des Gaspedals).

Molekulare Motoren

Spätestens seit den Arbeiten von H.E. Huxley Ende der 60er Jahre ist bekannt, daß Muskelkontraktionen durch das Zusammenspiel von Aktin und Myosin bewirkt werden. Myosin ist ein sogenannter 'molekularer Motor', der chemische Energie in Bewegung umsetzt mit einem Wirkungssgrad, der den von Schumachers Motor um ein Vielfaches übersteigt.

Aktin

Die krafterzeugende Komponente (d.h. der Motor) Myosin muss an ein 'Getriebe' gekoppelt sein: In der Muskelzelle sind dies Aktinbündel, an die das Myosin bindet und deren Position es verändert. Aktin findet man nicht nur in Muskelzellen, sondern in fast allen Zelltypen, wo es eine Vielzahl verschiedener Aufgaben erfüllen kann: im Wesentlichen erhöht es die Stabilität der Zelle und von Zellverbänden und es ermöglicht Bewegung. Dies alles ist trotz der einfachen, fadenähnlichen Gestalt des Aktin-Filaments möglich, da Gruppen von Aktin-Filamenten zu verschiedensten ein-, zwei- und dreidimensionalen Netzen zusammengefügt werden können durch die Einwirkung verschiedenster Proteine (Aktin-bindende Proteine).

Vesikel

So bildet sich unterhalb der Membran vieler Zellen eine dünnes Netz aus Aktin-Filamenten, das der Zelle Gestalt und Stabiliät gibt. Dieser Vorgang kann überraschenderweise sogar in Vesikeln (Bläschen, die von einer Membran umgeben sind) stattfinden. Welche Mechanismen dabei eine Rolle spielen könnten, wird derzeit anhand verschiedener theoretischer Modelle untersucht.

Zellform-Dynamik und Zell-Migration

Keratinozyt

Ist es überraschend, dass einzelne Zellen sich bewegen können? Eigentlich nicht, wenn man an die Vielzahl von Einzellern denkt, die in einer mehr oder minder feindlichen Umwelt leben. Aber auch in vielzelligen Organismen (so wie Ihrem Körper) gibt es einzelne Zellen, die sich bewegen können, z.B. weiße Blutkörperchen (Leukozyten), bestimmte Hautzellen (Keratinozyten), um Wunden zu schließen, oder (viel bedrohlicher) metastasierende Tumorzellen. Kriechende Keratinozyten verändern ihre Gestalt: sie strecken flache oder längliche 'Füßchen' (Lamellipodien) aus, mit deren Hilfe sie sich vorwärts ziehen. Dynamik und Steuerung dieser Bewegung werden bei uns untersucht und modelliert.

Zelladhäsion und -migration

Niemand begibt sich ohne Spikes aufs Gletschereis; ebenso benötigt jede Zelle Mittel, sich auf ihrem Untergrund festzuhalten: dies sind sogennante Bindungspunkte oder Adhäsionsstellen. Umgekehrt bleibt die Zelle nur dann beweglich, wenn sich die Bindungen an den Untergrund auch wieder lösen lassen. Unsere Gruppe interessiert sich hauptsächlich für die Bewegung von Keratinozyten und bestimmter Tumorzellen. Welche Reize veranlassen den einzelnen Kerotinozyten, seinen Zellverband zu verlassen und in das Wundgebiet zu wandern? Weshalb lösen sich manche Tumorzellen aus dem Tumorgewebe, wie bewegen sie sich und entlang welcher Wege?

Bewegung in Zellverbänden

'Alleene, det is nich scheene' sagt der Berliner und so leben und bewegen sich die meisten Zellen, auch Einzeller, nicht allein sondern in mehr oder minder engem Kontakt zu Nachbarn. Dadurch ergeben sich kooperative Bewegungsphänomene, deren Untersuchung ein Ziel der Arbeitsgruppe ist. Ein spannendes Beispiel sind die Bewegungsmuster der Myxobakterien, die einspurig oder zweispurig, in Spiralen und in wellenähnlichen Mustern (Rippling) über den Untergrund gleiten. Aber selbst in Zellverbänden, in denen die Zellen aneinander gebunden sind, wie z.B. die Endothel- oder Epithelzellen, ist noch Bewegung möglich (unter geeigneten Voraussetzungen, wie z.B. zum Schließen einer nahen Wunde).

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Schwärme und Suchverhalten

Thema Beispiele beteiligte Mitarbeiter Kooperationen
Chemotaxis Rezeptor-Adaption Wolfgang Alt  
Suchstrategien Gameten der Braunalge Ectocarpus siliculosus, Wüstenarthropoden Wolfgang Alt, Andreas Neudecker, Tobias Merkle  
Schwärme Vogelschwärme, Zugverhalten, Zellschwärme Ralf Müller, Wolfgang Alt, Marcus Tilch  

Chemotaxis

Chemotaxis als Verhaltensstrategie aktiv sich bewegender Organismen, um effektiv zu höheren (bzw. niedrigeren) Konzentrationen eines chemischen Lockstoffes (bzw. Giftstoffes) zu gelangen, ist allgemein bekannt und gut untersucht, etwa für begeißelte Bakterien wie E. coli . Hier beruht der Mechanismus auf einer transienten Verlängerung (bzw. Verkürzung) der Geradeaus-Bewegung bei Perzeption einer zeitlich ansteigenden Zahl von gebundenen spezifischen Chemotaxis-Rezeptoren durch den Lock-(Gift-)Stoff. Dabei wird das prototypische Verhalten einer perfekten Adaptation beobachtet. Wir untersuchen mathematische Modelle von chemischen Kinetiken für die (bei E. coli molekulargenetisch vollständig aufgeklärte) Signaltransduktion, welche schon auf dem Niveau der Rezeptor-(De-)Methylierung perfekte Adaptation reproduzieren können. [Wolfgang Alt]

Suchverhalten von Einzellern und Einzelzellen

Pfad eines männlichen Ectocarpus-Gameten auf der Suche nach einem weiblichen Gameten.

Komplexeres Suchverhalten zeigen eukaryotische einzellige Flagellaten und andere begeißelte Zellen, wie männliche Gameten der Braunalge Ectocarpus siliculosus , die auf den Sexuallockstoff Ectocarpen reagieren, der von einem weiblichen Gameten -- wenn fest auf einer Fläche sitzend -- ins Medium abgegeben wird. Experimentelle Beobachtungen, statistische Pfadauswertungen und stochastische Simulationsmodelle weisen auf eine optimierte stufenweise Suchstrategie hin:

  1. Thigmotaxis : Ectocarpen-abhängige Tendenz, auf der 2-dimensionalen Fläche zu bleiben
  2. Chemokinese : Krümmung der Bewegungsbahn steigt mit höherer Ectocarpen-Konzentration, und
  3. inverse negative Chemotaxis : Bei Perzeption eines stark abnehmenden zeitlichen Ectocarpen-Gradienten Hintergeißelschlag-Response mit abrupter Winkeländerung, die dann wieder in Richtung räumlich ansteigendem Ectocarpen-Gradienten führt.

[Andreas Neudecker]

Wüstenarthropoden

Pfad einer Wüstenameise auf Futtersuche und Heimweg (rot).

Die erstaunlich präzise und konvergent evolvierte Fähigkeit verschiedenster Wüsten-Arthropoden (wie etwa der Ameise Cataglyphis fortis oder des Käfers Parastizopus armaticeps ), nach erfolgter Nahrungssuche zur Wohnhöhle zurückzufinden, beruht auf einem internen Mechanismus der "Pfadintegration", d.h. einer Verrechnung von Laufgeschwindigkeit und Winkeländerung entlang des Laufpfades. Die Untersuchung verschiedener mathematischer Modelle hierfür soll helfen, die generelle Frage nach der Form einer möglichen internen Repräsentation der 'Lage der Wohnhöhle' im Organismus zu klären. Die bisherigen Arbeiten hierzu werden in Kooperationen mit den Zoologischen Instituten der Universitäten Bonn (Prof. H.-G. Heinzel) und Zürich (Prof. R. Wehner) sowie auch mit dem Bonner Philosophischen Seminar (Prof. A. Bartels) demnächst wieder aufgegriffen und vertieft werden.

Vogelschwärme, Vielteilchen-Systeme

Ein zentrales Thema ist die mathematische Modellierung der Interaktionsdynamik bei der Formation von Zell-Schwärmen (etwa Myxobakterien) oder Vogel-Schwärmen (insbesondere bei Zugvögeln). Für konfluente 2-dimensionale Zell-Monolayer, wie sie etwa in der Embryogenese oder der Wundheilung auftreten, bzw. für relativ geordnete Schwärme von Wildgänsen oder Staren hängen die Interaktions-Terme (Kräfte bzw. Beschleunigungen) im Wesentlichen von den Positions- und Geschwindigkeits-Differenzen der jeweiligen "nächsten Nachbarn" ab. Bei der Definition dieser (zeitlich wechselnden) Nachbarschaft können Verallgemeinerungen der klassisch-geometrischen Voronoj-Delaunay-Aufteilung benutzt werden. -- Neben der Simulation und Analyse von entsprechenden stochastischen Vielteilchen-Systemen werden auch Kontinuumslimiten untersucht, welche auf verallgemeinerte Navier-Stokes-Gleichungen zur Beschreibung von visko-elastischen Flüssigkeiten mit freiem Rand führen.

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Biologische Oberflächen und Filme

Thema Beispiele beteiligte Mitarbeiter Kooperationen
Surfactants (SFB 611) auf Alveolar-Filmen der Lunge Martin Rost, Wolfgang Alt  
Mikrobielle Biofilme Zahnbelag, Plaques Jan Kreft, Andreas Dötsch E. coli

Surfactant-Lipidschichten auf Alveolen

Eine dünne Surfactant-Schicht kann die Eigenschaften einer Oberfläche wesentlich beeinflussen. So vermindert eine Lipid- oder auch Seifenschicht die Oberflächenspannung einer wäßrigen Oberfläche um Größenordnungen. Alveolen in Wirbeltierlungen sind nur deshalb stabil, ohne diesen Effekt würden sie unter ihrer Oberflächenspannung zusammenbrechen.

Die Bestandteile der Lungen-Surfactantschichten sind eingehend untersucht: Den Hauptteil machen Phospholipide aus und davon ist von besonderer Bedeutung Dipalmitoylphosphatidylcholin (DPPC). Dennoch ist wenig bekannt über ihre dynamischen Eigenschaften, aus naheliegenden Schwierigkeiten für den experimentellen Zugang. Surfactantmoleküle werden ständig produziert und lösen sich wieder von den Rändern der Lungenbläschen ab. Es besteht also ein ständiger Fluß, der unter anderem dazu dient, Staubpartikel zu entfernen.

Zusammen mit Hans Wilhelm Alt (Institut für Angewandte Mathematik, Bonn) versuchen wir ein hydrodynamisches Modell herzuleiten und auszuwerten, das die Dynamik der biegsamen Alveolenoberfläche, der Lipid- und der wäßrigen Lösungsschicht mit elastischen, Reibungs- udn Zufallskräften gemeinsam behandelt. Ein erster Ansatz verwendet sogenannte `Phasenfelder', die freie Ränder in den Gleichungen implizit mit Hilfe einer glatten Funktion behandeln.

Biofilme

Simulationsmodell eines Biofilms.

Aus Sicht der Modellbildung haben Biofilme, der schleimige Bewuchs von Oberflächen, Gemeinsamkeiten mit den Oberflächenfilmen in Lungenbläschen. Biofilme können als Ensemble von Mikroben angesehen werden, die sich im Zuge ihres Wachstums in eine selbstgemachte extrazelluläre Matrix einbetten, die durch die Scherkräfte der Flüssigkeitsströmung an der Matrixoberfläche deformiert, abgerieben, und abgerissen werden kann. Die Biofilm-Grenzfläche ist also ein freier Rand, dessen Form duch Wachstum und Verfall, Umsatz der extrazellulären Matrix, und Abrieb und Abriß ständig verändert wird.

Da die Oberflächenstrukturen von Mikroben eine spezifische Bindung an die Oberfläche, die Matrix, und gleiche und andere Zellen ermöglichen (Adhäsion, Aggregation und Koaggregation), können Biofilm-Modelle auch als Vielteilchen-Systeme aufgefaßt werden, zwischen denen anziehende und abstoßende Kräfte wirken, genauso wie in Vögel und anderen Schwärmen.

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Evolutionsökologie und -dynamik

Thema Beispiele beteiligte Mitarbeiter Kooperationen
Mikrobielle Kompetition und Kooperation in Biofilmen Jan Kreft  
Sym- und parapatrische Speziation Artbildung mit unterschiedlichem Grad räumlicher Trennung Martin Rost B. Kriener, M. Lässig (Köln)

Kooperation und Konkurrenz bei Mikroben

Für das Leben in Biofilmen ist das Wechselspiel von Kooperation und Konkurrenz auf zwei Ebenen der Selektion, der Ebene des Individuums und der Gruppe, von zentraler Bedeutung, da die Individuen (Zellen von Bakterien, Algen, Pilzen) in Biofilmen als Mikrokolonien gruppiert wachsen. Diese Mikrokolonien sind Senken für Substrate, wodurch diese Substrate per Diffusion aus der Umgebung gesaugt werden. Dies erzeugt eine räumliche Heterogenität in der Resourcenverteilung, die wiederum Wachstum und Aktivität der Mikrokolonien unterschiedlich beeinflußt, dadurch verstärkt sich dieser Prozess selbst (positive Rückkopplung). Unter diesen Bedingungen von Substrat-Limitierung und Wachstum in dichten Zellverbänden erhält die sparsame Verwertung von Resourcen den Status altrustischen Verhaltens. Darunter versteht man Verhalten, das den eigenen Fortpflanzungserfolg relativ zu den anderen Mitgliedern der Gruppe senkt, aber den Fortpflanzungserfolg der Gruppe relativ zu anderen Gruppen erhöht.

Artenbildung in räumlicher Ausdehnung

Die Entstehung einer neuen Art durch Abzweigung von oder Auspaltung einer vorherigen wir als Speziation bezeichnet. Die neuen Arten können geographisch isoliert (in Allopatrie), mit voller (Sympatrie) oder teilweiser (Parapatrie) des Lebensraums entstehen.

Die vorherrschende Meinung über Speziationsprozesse hat im letzten halben Jahrhundert zwischen den Extremen gewechselt. Nach einigen Jahrzehnten, in denen Allopatrie als Haupt- oder einziger Grund für Speziation angesehen wurde, ist man zur vorherigen Lehrmeinung zurückgekehrt, und erkennt die wesentliche Bedeutung sympatrischer Speziation wieder an.

Auf der Grundlage von DNA-Daten konstruierte evolutionäre Stammbäume belegen eindrucksvoll sympatrische Speziationen in vielen Fällen. Mehrere Modellansätze in den letzten Jahren haben die zentralen Mechanismen herausgearbeitet: Disruptive Selektion als Folge der Konkurrenz um Ressourcen und reproduktive Isolation zwischen den entstehenden neuen Schwesterarten.

Der große Bereich zwischen den Extremen sympatrischer und allopatrischer Speziation ist erst jüngst geneuer untersucht worden. Zusammen mit Birgit Kriener und Michael Lässig (Institut für Theoretische Physik, Köln) untersuchen wir derzeit verschiedene Varianten eines Modells einer sich sexuell reproduzierenden Population in einem ausgedehnten Lebensraum.

In diesem Modell wird der Population der Modus der Speziation nicht vorgegeben, sie kann vielmehr zwischen den möglichen Arten der Isolation wählen: durch räumliche Trennung oder durch Partnerwahl. Die Wahl hängt von den äußeren Bedingungen ab, im wesentlichen von: Heterogenität in der und Migration über die Landschaft, Abhängigkeit der Konkurrenz von der Bevölkerungsstruktur (density und frequency dependence).

Unter vielen Bedingungen finden wir, daß sich reproduktive Isolation zuerst herausbildet, dadurch eine phänotypische Variation entsteht, die schließlich Anpassung an Heterogenitäten der Landschaft und räumliche Aufspaltung ermöglicht. Der Vorgang erscheint recht robust, tritt auf bei verschiedenen Modellvarianten für Partnerwahl und Vererbung der phänotypischen Eigenschaften. Er kann ein Mittel sein, die häufig auftretenden Muster der räumlichen Verteilung nah verwandter Arten zu verstehen.

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Kollektives Wissen in biologischen Systemen

Thema Beispiele beteiligte Mitarbeiter Kooperationen
Wissen in biologischen Systemen Orientierung von Wüstenarthropoden Tobias Merkle, Wolfgang Alt  

Wie kann ein Käfer sich in der Wüste orientieren, auf der Suche nach Nahrung und auf dem Rückweg zu seinem Bau? Wie werden Erinnerung an räumliche Position und Laufrichtung dabei am zweckmäßigsten gespeichert? Im Modellansatz eines Systems gekoppelter stochastischer Differentialgleichunges sollen diese Fragen geklärt werden.

Es handelt sich hier im das Teilprojekt III.1 der neu eingerichteten interdisziplinären universitätsinternen Forschergruppe "Wissensformate".

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