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Schwarmverhalten: Moleküle schwärmen in Mustern

Selbstorganisierte Proteinwolke
Ob Fisch- oder Vogelschwärme, in Bewegung geratener Sand oder gar Kristalle: Überall in der Natur finden sich Systeme, in denen aus Unordnung spontan Ordnung entsteht. Ganz ohne übergeordnete Instanz organisieren sich dabei Einzelteile zu Strukturen, die um ein Vielfaches größer sind als sie selbst. Bei der Suche nach den zugrunde liegenden Gesetzmäßigkeiten soll nun ein raffiniertes Modellsystem helfen, das Forscher der Technischen Universität München entwickelten.

Die Gruppe um Andreas Bausch verlegte sich dazu auf die Welt des ganz Kleinen: Sie verfolgten die Bewegung von nur wenige Nano- bis Mikrometer großen Molekülsträngen auf einer Oberfläche, die mit passenden Motorproteinen gespickt war. Einmal in Bewegung gesetzt, offenbarten sich jedoch Muster von bis zu einem halben Millimeter Durchmesser. Manche der Strukturen hätten bis zu einer halben Stunde lang Bestand gehabt, erläutert der Forscher. Dass ein Modellsystem Strukturen vergleichbarer Größe und Haltbarkeit erzeuge, sei extrem selten.

© TU München/A. Bausch
Galaxie im Nanoformat
Der Wirbel ist das eindrucksvollste Muster, das im System der Münchner Forscher entstand. Er entsteht auf Grund noch unbekannter Einflüsse innerhalb des Systems.
Die Wissenschaftler verwendeten Motorproteine, wie sie unter anderem in Muskelzellen vorkommen, und fixierten sie auf einer Unterlage. Diese so genannten Myosine ähneln Lokomotiven, die statt sich selbst das Gleis unter ihnen bewegen. Anschließend gaben sie die entsprechenden Gleisstränge – Aktinfilamente – in die Versuchsanordnung sowie den Energielieferanten ATP, der die Motoren antrieb. Fluoreszenzmarker an einigen der Stränge erlaubten es, deren Bewegung mit Mikroskopen zu beobachten.

"Der Vorteil dieses Modells ist, dass wir alle wichtigen Parameter kontrollieren können", sagt Bausch. Beispielsweise die Dichte der Filamente: Erst ab einer gewissen Anzahl von Strängen pro Fläche nahm deren zuvor zufälliges Herumwandern plötzlich Form an. Sie sammelten sich zu einer Art Schwarm oder bewegten sich in einem einzigen Wirbel gemeinsam über die Unterlage.

© TU München/A. Bausch
Wandernde Cluster
Solche Muster zeigten sich, sobald die Dichte der Aktinfilamente einen gewissen kritischen Wert überstieg. Mitunter können sie über Minuten bestehen bleiben.
Noch sind er und sein Team aber weit davon entfernt, die Vorgänge in sämtlichen Details zu verstehen. Wie und unter welchen Bedingungen es zur Musterbildung kommt, soll parallel zu den Beobachtungen eine Computersimulation klären helfen. "Wir suchen damit nach dem minimalen Satz an Bedingungen, unter dem noch solche Muster auftreten", so Bausch.

Aller Wahrscheinlichkeit nach stoßen sich die Filamente gegenseitig ab und zwingen so querschießende Stränge in die Richtung der Masse. Eine Simulation, die hauptsächlich diesen Mechanismus berücksichtigte, offenbarte allerdings, dass noch andere Faktoren eine Rolle spielen müssen: Der Computer sagte großräumige Muster wie den Wirbel nicht voraus. (jd)

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  • Quellen
Schaller, V. et al.: Polar patterns of driven filaments. In: Nature 467, S. 73–77, 2010.

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