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Göttingen Lebende Materie organisiert sich durch chemische Signale
Campus Göttingen Lebende Materie organisiert sich durch chemische Signale
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16:00 07.07.2019
Im MPI für Dynamik und Selbstorganisation ist die Selbstorganisation lebender Materie erforscht worden. Quelle: GT
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Göttingen

Chemisch aktive Partikel, seien es Zellen, Enzyme oder künstliche synthetische Kolloide, nehmen sich gegenseitig wahr und können sich letztendlich in vielfältiger Weise selbst organisieren. Diese Entdeckung, gleichzeitig ein Bruch des dritten Newtonschen Gesetzes, machten Wissenschaftler des Max-Planck-Institutes für Dynamik und Selbstorganisation.

Zellen und Mikroorganismen produzieren und absorbieren verschiedenste Arten von Chemikalien, von Nährstoffen bis zu Signalmolekülen, erläutert MPIDS-Pressesprecherin Carolin Hoffrogge. Dasselbe geschehe auf der Nanoskala innerhalb der Zellen selbst, wo Enzyme die Produktion und den Verbrauch der für das Leben notwendigen Chemikalien katalysieren. 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 haben nun einen allgemeinen Mechanismus gefunden, durch den sich die chemisch aktiven Partikel selbst organisieren.

Mischungen von Produzenten- und Konsumentenpartikeln können sich in vielerlei Hinsicht selbst organisieren (v.l.): 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. Quelle: MPIDS / r

Mit einer Kombination an 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 anziehe oder abstoße, so Hoffrogge. Dabei hätten sie entdeckt, dass sich die Partikel spontan und in verschiedenen Konfigurationen zu Clustern zusammenfänden oder voneinander entfernten, abhängig von den Eigenschaften der einzelnen Teilchenarten sowie von den Verhältnissen, in denen die Arten gemischt seien. Mischungen einer Produzenten- und einer Konsumentenart könnten 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 sei, dass diese Cluster spontan anfangen könnten, sich wie ein Komet aus eigenem Antrieb heraus zu bewegen, wobei eine dicht gedrängte Gruppe von Produzenten von einem Schweif von Konsumenten verfolgt werde beziehungsweise umgekehrt.

Drittes Newtonsches Gesetz gebrochen

Nach Agudo-Canalejo und Golestanian sei dieses chemisch vermittelte Zusammenwirken eine Besonderheit, da es effektiv das dritte Newtonsche Gesetz von gleicher Aktion und Reaktion breche, erläutert die Pressesprecherin. Zum Beispiel könne ein Partikel der einen Spezies von einem Partikel der anderen Spezies angezogen werden, während die zweite von der ersten abgewiesen werde, so dass ein Partikel schließlich den anderen verfolge. Diese und andere Besonderheiten seien eine direkte Folge der chemischen Aktivität, die für lebende Materie charakteristisch ist. In einem nichtlebenden System hingegen fehle das große Spektrum an Selbstorganisation. „Wir erwarten, dass sich unser Minimalmodell auf eine Vielzahl von Problemen in Biologie und Technik anwenden lässt“, habe Agudo-Canalejo geäußert. MPI-Direktor Golestanian ergänze: „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.“

Von r / rf

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