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Wie sich lebende Materie durch chemische Signale selbst organisiert

Wissenschaftler zeigen neuen Mechanismus der Selbstorganisation

08.07.2019

© MPIDS

Mischungen von Produzenten- und Konsumentenpartikeln können sich in vielerlei Hinsicht selbst organisieren. Von links nach rechts: Bildung kleiner selbstfahrender Moleküle aus wenigen Partikeln; vollständige Trennung von Produzenten und Konsumenten in verschiedene Cluster; Aggregation zu einem statischen Cluster mit genauer Zusammensetzung; Aggregation zu einem selbstfahrenden kometenartigen Cluster.

Zellen und Mikroorganismen produzieren und absorbieren verschiedenste Arten von Chemikalien, von Nährstoffen bis hin zu Signalmolekülen. Dasselbe geschieht auf der Nanoskala innerhalb der Zellen selbst, wo Enzyme die Produktion und den Verbrauch der für das Leben notwendigen Chemikalien katalysieren. In einer neuen Arbeit, veröffentlich in Physical Review Letters, haben Jaime Agudo-Canalejo und Ramin Golestanian von der Abteilung „Physik lebender Materie“ am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS) und der University of Oxford einen allgemeinen Mechanismus gefunden, durch den sich solche chemisch aktiven Partikel, seien es Zellen, Enzyme oder künstliche synthetische Kolloide, gegenseitig wahrnehmen und letztendlich in vielfältiger Weise selbst organisieren können.

Sich gegenseitig durch Chemie spüren

Mit einer Kombination von theoretischen Methoden und Computersimulationen untersuchten die Forscher das Verhalten von Mischungen verschiedener Teilchenarten, die ein chemisches Signal erzeugen oder absorbieren oder konsumieren, das sie wiederum anzieht oder abstößt. Dabei fanden sie heraus, dass sich die Partikel spontan und in verschiedenen Konfigurationen zu Clustern zusammenfinden oder voneinander entfernen, abhängig von den Eigenschaften der einzelnen Teilchenarten sowie von den Verhältnissen, in denen die Arten gemischt sind. Mischungen einer Produzenten- und einer Konsumentenart können sich beispielsweise unter bestimmten Bedingungen vollständig in zwei separate Cluster aufteilen, sich unter anderen Bedingungen jedoch zu einem Cluster mit einer genau definierten Zusammensetzung zusammenschließen. Noch spektakulärer ist, dass diese Cluster spontan anfangen können, sich wie ein Komet aus eigenem Antrieb heraus zu bewegen, wobei eine dicht gedrängte Gruppe von Produzenten von einem Schweif von Konsumenten verfolgt wird beziehungsweise umgekehrt.

Drittes Newtonsches Gesetz gebrochen

Nach Agudo-Canalejo und Golestanian ist dieses chemisch vermittelte Zusammenwirken eine Besonderheit, da es effektiv das dritte Newtonsche Gesetz von gleicher Aktion und Reaktion brechen: Zum Beispiel kann ein Partikel der einen Spezies von einem Partikel der anderen Spezies angezogen werden, während die zweite von der ersten abgewiesen wird, so dass ein Partikel schließlich den anderen verfolgt. Diese und andere Besonderheiten sind eine direkte Folge der chemischen Aktivität, die für lebende Materie charakteristisch ist, und sind für das große Spektrum an Selbstorganisation verantwortlich, das in solchen System beobachtet werden kann, jedoch in einem nichtlebenden System fehlen würde.

„Wir erwarten, dass sich unser Minimalmodell auf eine Vielzahl von Problemen in Biologie und Technik anwenden lässt. Die beobachteten sich selbst antreibenden Cluster können beispielsweise relevant sein, um Mechanismen der kollektiven Migration von Zellen oder Mikroorganismen in heterogenen Geweben oder Kolonien zu verstehen. Auf einer viel kleineren Skala innerhalb der Zelle kann das Modell erklären, warum Enzyme, die gemeinsam an katalytischen Prozessen teilnehmen, dazu neigen, auch räumlich nahe beinander zu sein – eine Beobachtung, die bisher keine generische Erklärung hatte;“ betont Erstautor der Studie, Jaime Agudo-Canalejo. MPI-Direktor Ramin Golestanian ergänzt: „Wir halten auch Anwendungen in der Entwicklung von aktiven Materialien für möglich, bei denen sich synthetische Partikel, die chemische Reaktionen katalysieren, selbstständig zu einem größeren Ganzen zusammensetzen.“

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