Theorie zur Musterbildung von Protein-Grenzflächen
LMU-Biophysiker haben ein Modell entwickelt, wie Reaktions-Diffusions-Netzwerke „Schäume“ bilden können.
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LMU-Biophysiker: dem „thymic cross-talk“ auf der Spur
Ein in München entwickeltes Modell zeigt, wie biologische Prozesse die verschlungene interne Architektur des Thymus formen – und so Autoimmunreaktionen besser unterdrücken können.
Zellen mit Licht in Form bringen
Wie ein optischer Reiz über chemische und mechanische Wechselwirkungen eine Formänderung der Zelle auslöst.
• 9/2024 • Seite 43 • DPG-MitgliederDie Physik lebender Systeme
Physikalische Prinzipien und emergente Phänomene
Die physikalischen Eigenschaften biologischer Zellen oder zellähnlicher Systeme zu erforschen, gehört zu den spannendsten Herausforderungen der Wissenschaft. Die enorme Komplexität lebender Systeme erfordert neue theoretische Konzepte und Ansätze und birgt gleichzeitig eine Fülle faszinierender emergenter Phänomene und Gesetzmäßigkeiten, die es zu entdecken und zu verstehen gilt.
Die Physik lebender Systeme will die fundamentalen Prinzipien zellulärer Funktionen mithilfe physikalischer Ansätze entschlüsseln. Dabei werden zwei komplementäre Ansätze verfolgt. Der eine untersucht biologische Systeme als Ganzes mit phänomenologischen Methoden; der andere beschränkt sich auf minimale Systeme mit wenigen Komponenten. Gemäß Einsteins Motto „Alles sollte so einfach wie möglich gemacht werden, aber nicht einfacher“ versucht letzterer, biologische Prozesse auf ihren Kern zu reduzieren. Dies ermöglicht es, die biologische Komplexität durch eine Kombination aus experimenteller und theoretischer Analyse zu entwirren und zu verstehen. Dabei ergeben sich mehrere Fragen: Wie weitreichend ist ein solcher reduktionistischer und minimalistischer Ansatz? Auf welcher Ebene erlaubt er es, die physikalischen Prinzipien hinter den komplexen zellulären Funktionalitäten zu verstehen? Ermöglicht dieses Wissen die Entwicklung von Systemen mit lebensähnlichen Eigenschaften oder sogar von künstlichen Zellen? (...)
Ein Bauplan für aktive Schäume
Theoretisches Modell basiert auf grundlegenden Prinzipien der Selbstorganisation.
Molekularer Selbstbau
Form von Komponenten ist wesentlich, wie schnell und effizient sich komplexe Strukturen selbst zusammenbauen.
Mehr als 6.000 Forschende bei Berliner Physiktagung
Am Sonntag startet in Berlin die größte der fünf diesjährigen Frühjahrstagungen der DPG.
1/2024 • Seite 53Physik-Preise 2024
Laudationes auf die Preisträgerinnen und Preisträger der Deutschen Physikalischen Gesellschaft
Theoretische Biophysik und ultrakalte Atome
Die DPG-Preisträgerinnen und -Preisträger für das Jahr 2024 stehen fest.
Proteine setzen Vesikel in Bewegung
Münchener Biophysiker konstruieren ein neues zellähnliches Transportsystem.
Proteinmuster durch Strömung kontrollieren
Flüssigkeitsströmungen haben spürbaren Einfluss auf zelluläre Proteinmuster.
Wie Amöben die Robotik inspirieren
Modell beschreibt komplexe Strukturbildung durch Selbstorganisation.
Eine Brücke vom Großen ins Kleine
Neue Theorie ermöglicht die Simulation komplexer Musterbildung in biologischen Systemen über unterschiedliche räumliche und zeitliche Skalen.
Selbstorganisierte Nanostrukturen
Neue Strategie für die effiziente Fertigung nanoskaliger Objekte.
Wie Physik Strukturen von Organen beeinflusst
Biophysiker erklären komplexe Strukturbildung in Mini-Organen.
Zelluläres Transportsystem für Moleküle
Logistik per Diffusiophorese erstmals in biologischem Musterbildungssystem nachgewiesen.
Wie Zellprozesse sich orientieren
Robuste Proteinmuster entstehen durch zellinterne Konzentrationsgefälle.
Die Physik lebender Systeme
Topologische Effekte schlagen eine Brücke von der Festkörperphysik zur Biophysik.
• 12/2020 • Seite 42 • DPG-MitgliederDie Physik dynamischer Tropfen
In lebenden Zellen spielen dynamische Tropfen eine wichtige Rolle, um biochemische Prozesse zu organisieren.
Zellen führen biochemische Prozesse aus, um zentrale Abläufe wie die Zellteilung zu realisieren. Bei der dafür erforderlichen raumzeitlichen Organisation der zellulären Prozesse kommt den Organellen eine wichtige Rolle zu. Organellen wie die Mitochondrien oder der Zellkern sind durch Membranen von ihrer Umgebung getrennt. Diese ermöglichen es ihnen, in ihrem Inneren geeignete biochemische Bedingungen für biologische Prozesse zu erzeugen. Doch es gibt auch membranlose Organellen. Wie bewahren diese ihre chemische Identität? Hierbei kommt die Koexistenz proteinreicher, flüssiger Phasen ins Spiel. Ausgehend von der Physik der Phasenseparation ist ein tieferes Verständnis der Dynamik und raumzeitlichen Organisation biochemischer Prozesse möglich.
Lebende Zellen lassen sich als außerordentlich komplexe Form von weicher, kondensierter Materie auffassen. Wie sie ihr Inneres räumlich und zeitlich organisieren, ist eine zentrale Frage der Biologie und der Biophysik. So gilt es beispielsweise aufzudecken, wie Zellen sich teilen, über biochemische Signale miteinander kommunizieren oder ihren Metabolismus regulieren. Or-ganellen wie die Mitochondrien und der Zellkern sind als die Organe der Zelle dafür verantwortlich, grundlegende Zellfunktionen und wichtige biochemische Prozesse zu realisieren. Zum Beispiel entstehen in den Mitochondrien große Mengen an Adenosintriphosphat (ATP) – ein Zelltreibstoff für viele biochemische Reaktionen und zelluläre Transportprozesse. Mitochondrien besitzen eine Membran, mit deren Hilfe sie sich vom Zytoplasma abgrenzen und ihren spezifischen biochemischen Charakter bewahren.
Aber es gibt auch Organellen ohne Membran. Vor etwa zehn Jahren gelang es zu zeigen, dass membranlose Organellen proteinreiche tropfenähnliche Objekte sind, die mit dem umgebenden Zytoplasma koexistieren, genau wie phasengetrennte Flüssigkeiten. Aus dieser Erkenntnis entstand ein dynamisches und interdisziplinäres Forschungs-feld an der Schnittstelle von Zellbiologie und Biophysik. Phasengetrennte Organellen erlauben es der Zelle, Biomoleküle in Raum und Zeit zu organisieren. Membranlose Zellorganellen ähneln flüssigen Tropfen in einer entmischten Flüssigkeit, zum Beispiel Essig und Öl in einer Vinaigrette. (...)
Physik des Lebens: Die Logistik des Molekül-Puzzles
Der Zufall als Störfaktor bei der Selbstmontage von Biomolekülen
Wie vorne und hinten entsteht
Geometrische Musterbildung spielt entscheidende Rolle für erste Zellteilung.
Biophysik natürlicher Muster
Physikalisches Modell für die Erklärung einer Musterbildung in Bakterienkulturen.
Wie enge Räume besiedelt werden
Wachstumsdynamik von Zellverbänden in Mikroräumen untersucht.
Fitness durch Langsamkeit
Statistische Analyse belegt evolutionären Vorteil durch verzögerte Anpassung.
• 10/2018 • Seite 22Ordnung aus Unordnung
Neue Experimente zeigen, dass Nichtgleichgewichts-Systeme eine Koexistenz selbstorganisierter Zustände mit unterschiedlicher Orientierungssymmetrie erlauben.
Musterbildung ohne Kompromisse
Konformationsänderung spielt wichtige Rolle bei Steuerung der Zellteilung.
Schneller auf Umwegen
Frei diffundierende Proteine schneller unterwegs als mit Motorproteinen, wenn diese in Stau geraten.
Bauplanung fürs Zellskelett
Neues Modell beschreibt Mechanismen bei der Umstrukturierung von Mikrotubuli.
Wie kollidierende Polymere Bakterien teilen
Selbstorganisation führt zur Bildung rotierender Ringe.
Entmischende Kollisionen
Auch gleich große Teilchen sortieren von selbst – wenn sie sich unterschiedlich bewegen.
Mustergültige Zellgeometrie
Computersimulationen zeigen, wie sich Proteinmuster in Bakterienzellen bilden.
Der innere Antrieb der Bazillen
Bakterien in Flüssigkeiten zeigen komplexe Bewegungsmuster, die neue Mathematik erfordern.
Komplex koordiniertes Kollektiv
Selbstorganisation bei Aktin-Filamenten weist auf neue Möglichkeiten zur Kontrolle von Nanosystemen.
Stein-Schere-Papier mit Bosonen
Spieletheorie liefert Hinweise, warum diese Quantenteilchen sich so gern in Gruppen zusammenfinden.
Neue Lösungsmethode für Boltzmann-Gleichung
Anwendung auf aktiv angetriebene Teilchensysteme zeigt bislang unbekannte Muster kollektiver Teilchenbewegung.
• 12/2013 • Seite 30Zuwachs für die Physik
Die Physik nimmt die DFG-Förderung erfolgreich in Anspruch.
In einem Meinungsbeitrag hat Erwin Frey kürzlich die Probleme der Fachkollegien der Deutschen Forschungsgemeinschaft geschildert, bei zunehmendem Antragsdruck und begrenzten Mitteln die richtigen Förderentscheidungen zu treffen. Im Sinne der Transparenz sollen im Folgenden einige konkrete Zahlen die Entwicklung der Physikförderung in den letzten Jahren verdeutlichen.
Die DFG ist der zentrale Ansprechpartner für die Förderung der Grundlagenforschung an den deutschen Universitäten quer über alle Fächer. In der Gesamtsicht war die Physik 2012 mit einer Fördersumme von etwa 168 Millionen Euro (alle Angaben ohne Programmpauschale) der stärkste der vier naturwissenschaftlichen Bereiche (Physik, Chemie, Mathematik und Geowissenschaften). Diese Summe entspricht etwa zehn Prozent des Gesamtfördervolumens für Einzelförderung und koordinierte Programme (ohne Exzellenzinitiative), ein Anteil, der seit vielen Jahren relativ konstant ist.
Die Physik nutzt das gesamte DFG-Programmportfolio sehr aktiv. In koordinierten Programmen wie Sonderforschungsbereichen und zunehmend auch bei Graduiertenkollegs ist die Physik überdurchschnittlich aktiv. Zurzeit fördert die DFG mit Schwerpunkt in der Physik 36 Sonderforschungsbereiche bzw. Transregios und 19 Graduiertenkollegs, an weiteren ist die Physik beteiligt. Damit wirbt die Physik 48 Prozent ihrer Mittel über diese koordinierten Programme ein, der Fächer-Durchschnitt liegt bei 35 Prozent. Betrachtet man die Bewilligungssummen in der Physik von 2004 bis 2012, so zeigt sich insgesamt ein Zuwachs für jede Programmgruppe (Abb.).
Forschergruppen sind die „kleinste“, gleichzeitig aber auch flexibelste Form von koordinierten Programmen. Hier können sich die besten Köpfe in einem Themenfeld ohne strukturelle Vorgaben zusammenfinden, um gemeinsam die Forschungsinhalte voranzubringen. Forschergruppen werden aus dem Finanztopf für das Einzelverfahren gespeist. Wegen ihres besonderen Charakters und ihrer hohen Attraktivität sind sie in der Abbildung getrennt ausgewiesen. Im Entscheidungsprozess stehen sie in voller Konkurrenz des Einzelverfahrens. Die Fachkollegien müssen entscheiden, ob der durch die Zusammenarbeit zwischen den Teilprojekten zu erwartende wissenschaftliche Mehrwert es rechtfertigt, die notwendigen Mittel für die Laufzeit von sechs Jahren zu binden, denn die entsprechende Summe steht dann nicht mehr für andere Einzelprojekte zur Verfügung.
Für Schwerpunktprogramme legt der Senat der DFG jährlich ein Gesamtfinanzvolumen fest und entscheidet in diesem Rahmen über die Einrichtung neuer Schwerpunkte aus einer Vielzahl von Skizzen aus allen Wissenschaftsbereichen, die in freier Konkurrenz zueinander stehen, ohne Vorgaben zu Fächeranteilen. Auch in diesem Programm gelingt es der Physik regelmäßig, sich mit attraktiven Themen durchzusetzen, sodass über die letzten Jahre jeweils ein bis drei neue Programme eingerichtet wurden.
• 9/2013 • Seite 3Die Schmerzgrenze ist erreicht
Die Bewilligungsquote im Einzelverfahren der DFG liegt auf einem Rekordtief.
Diskrete Natur
Biophysikalisches Modell erklärt die Dynamik von Ja-Nein-Regeln.
• 11/2012 • Seite 21Subtile Strömungen
In einem bakteriellen Modellsystem zeigen sich bei hoher Dichte kollektive Bewegungsmuster, die turbulenten Strömungen ähneln und als neue Klasse aktiver Turbulenz gelten können.
7/2012 • Seite 1Juli
Das Spektrum des Sterns Arktur im Sternbild Bärenhüter lässt sich wie die Zeilen eines Textes lesen. (vgl. S. 45; Bild: N. A. Sharp, NOAO/NSO/Kitt Peak FTS/AURA/NSF)
• 4/2012 • Seite 72
Frontiers in Biomolecular Simulation – Modeling Processes on a Large Scale
495. WE-Heraeus-Seminar
Das „Parlament der Wissenschaft“ ist gewählt
Im November waren über 100.000 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aufgerufen, die DFG-Fachkollegien zu wählen.
• 12/2011 • Seite 24Brownsche Bewegung in Farbe
Präzisionsmessungen mithilfe optischer Fallen an einzelnen Kolloiden weisen Korrelationen in den thermischen Kräften erstmals direkt nach.
Perfekte Mikroringe aus dem Nichts
Biologisches Modellsystem mit „absorbierendem Zustand“ bildet Sackgasse für Energie.
Wie ein Molekülstau die Zellteilung beeinflusst
Biophysiker entwickeln Modell zur Beschreibung der Dynamik von molekularen Motoren.
Im Muster schwärmen
Ein neues biophysikalisches Modellsystem untersucht das Gruppenverhalten von Nanomaschinen.
Molekulare Kräfte kontrollieren Form von Nanobausteinen
Spezifische Form des DNA-Moleküls im Organismus ist die Folge eines Wechselspiels mehrerer physikalischer Kräfte.
Wenn Moleküle einen Reifenabdruck hinterlassen
Eine Kombination aus statistischer Physik und Simulationen mit rastertunnelmikroskopischen Aufnahmen soll die molekulare Selbstorganisation optimieren.
• 10/2009 • Seite 27
Evolution unter dem Mikroskop
200 Jahre nach Darwins Geburt und 150 Jahre nach dem Erscheinen seines revolutionären Werkes „Die Entstehung der Arten“ wissen wir: Evolution ist weit mehr als eine interessante Theorie, sie ist unvermeidlicher Fakt. Doch die Implikationen der so einfachen wie fundamentalen Gesetzmäßigkeit von Mutation, Vererbung und Auslese bergen immense Komplexität und werfen noch viele offenen Fragen auf. An Einzellern lässt sich Evolution in Echtzeit studieren und, in Verbindung mit Konzepten der statistischen Physik, einige ihrer grundlegenden Mechanismen aufdecken.
Evolution unter dem Mikroskop
Einzeller geben neue Aufschlüsse über die Entwicklung der Arten und ihrer Vielfalt.
Nadeln beim Hindernislauf
Dünne Nanofasern in paradoxer Zickzack-Bewegung.
Besser biegen mit Scharnier
Molekulare Motoren arbeiten mit winzigen Scharnieren und Hebelarmen. Ein theoretisches Modell zeigt nun, dass die Biegsamkeit dieser Strukturen ein entscheidender Faktor für deren Funktionsweise ist.
Mobilität verhindert Biodiversität
Theoretische Physiker aus München beschreiben mit der evolutionären Spieltheorie, welch entscheidende Rolle die Mobilität von Arten in Ökosystemen spielt.
Faserbündel im Zellskelett
Münchner Physiker konnte erstmals die mechanischen Eigenschaften von Faserbündeln im Skelett einer biologischen Zelle näher bestimmen.
Ordnung in der Unordnung
Die Transporteigenschaften in biologischen Zellen und anderen ungeordneten Materialien lassen sich direkt von der geometrischen Struktur ableiten.
• 3/2005 • Seite 61
Im Zickzack zwischen Physik und Biologie
Einsteins Interesse an statistischen Fluktuationen zieht sich als Leitmotiv durch seine Arbeiten. Aus seinen Ansätzen erwuchs eine unübersehbare Fülle an Forschungsgebieten, nicht nur innerhalb der Physik, sondern auch in anderen Disziplinen wie Biologie, Ökonomie oder Verkehrsforschung. Das Kapitel der Brownschen Bewegung umfasst noch viele ungeklärte Fragen. So fangen wir gerade erst an zu verstehen, in welchem Maße Fluktuationen die Prozesse des Lebens bestimmen.
• 3/2005 • Seite 35
Einleitung: Ein grenzgängerisches Genie
Vor hundert Jahren vollendete der gerade 26 Jahre alte Albert Einstein fünf Arbeiten, die das Weltbild der Physik revolutionierten. In kurzer Folge entstanden sein Artikel zur Lichtquantenhypothese, seine Dissertation zur Bestimmung der Molekulargröße, seine Theorie der Brownschen Bewegung und schließlich die Arbeiten zur Speziellen Relativitätstheorie und zur Äquivalenz von Masse und Energie. Dabei arbeitete Einstein keineswegs völlig losgelöst von den Wissenssystemen seiner Zeit, doch er bewies den Spürsinn eines Genies für die ungelösten Probleme in den Grenzbereichen zwischen Mechanik, Wärmelehre und Elektrodynamik.