Forschungsbericht 2021 - Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation
Die Physik des Lebens verstehen: von Molekülen zu Systemen
Lebende Materie ist im Gegensatz zur unbelebten Materie von Natur aus nicht im Gleichgewicht. Lebende Systeme nutzen die in ihrer Umgebung vorhandene Energie, um sich zu bewegen, zu wachsen oder sich zu vermehren. Deshalb weisen sie einzigartige Eigenschaften auf, die im thermischen Gleichgewicht unmöglich sind.
Auf dem Weg zu einem Verständnis der Physik des Lebens haben in den letzten Jahren gemeinsame Anstrengungen in den Forschungsfeldern der statistischen Mechanik und der weichen Materie zur Entdeckung faszinierender physikalischer Phänomene geführt. Diese reichen von effektiven Wechselwirkungen zwischen mikroskopischen Einheiten, die die Symmetrie zwischen Aktion und Reaktion verletzen, bis hin zur Bildung von exotischen Materiephasen durch Selbstorganisation in Vielkomponenten-Systemen.
Chemische Reaktionen als mikroskopische Antriebskraft
Die Fähigkeit bestimmter Systeme, sich auf der Ebene ihrer einzelnen Bestandteile außerhalb des Gleichgewichts zu halten, wird gewöhnlich als Aktivität bezeichnet. In lebenden Systemen lässt sich die Quelle dieser Aktivität letztlich auf die chemischen, durch Enzyme katalysierten Reaktionen in den Zellen zurückführen, deren freigesetzte Energie in nützliche Arbeit und Wärme umgewandelt werden kann. Aber welche Folgen hat eine solche chemische Nichtgleichgewichts-Aktivität auf mikroskopischer Ebene ganz allgemein?
Das Zytosol (der flüssige Bestandteil in der Zelle) einer metabolisch aktiven Zelle besteht aus einer dichten Mischung verschiedener Enzyme. Mit einer Kombination aus Theorie und Computersimulationen haben wir das Verhalten eines solchen Systems untersucht. Dabei haben wir die Anziehung oder Abstoßung im Nichtgleichgewicht berücksichtigt, die durch die Produktion oder den Verbrauch von Chemikalien entsteht [1].
Es stellte sich heraus, dass sich die Teilchen spontan zu verschiedenen Arten von Clustern aus einer oder mehreren Teilchensorten zusammenschließen können. Noch spektakulärer ist, dass diese Cluster sich fortbewegen können. Diese Effekte ergeben sich aus einer Schlüsseleigenschaft von Nichtgleichgewichts-Wechselwirkungen, der so genannten Nicht-Reziprozität. In diesen Fällen wird effektiv Newtons drittes Gesetz der Gleichheit von Aktion und Reaktion gebrochen. So kann beispielsweise ein Enzym von einem anderen angezogen werden, während das zweite Enzym vom ersten abgestoßen wird, sodass das eine dem anderen nacheilt (Abb. 1).
Bei dieser Untersuchung gingen wir davon aus, dass Enzyme selbst keine interne Struktur haben. In Wirklichkeit sind viele Enzyme Komplexe, die aus mehreren miteinander verbundenen Proteinen bestehen und dynamisch sowie kurzlebig sein können. Mit einem mathematischen Modell, das sowohl die Proteindiffusion als auch die Bildung und Auflösung von Komplexen berücksichtigt, fanden wir heraus, dass es für die Proteinkonzentration einen Sweet Spot gibt, der eine besonders niedrige Reaktionszeit von Proteinkomplexen mit weit entfernten Reaktionspartnern ermöglicht [2]. Wenn die Bildung des Komplexes ortsabhängig ist, z.B. durch Gradienten eines chemischen Hemmstoffs, sammeln sich Proteine spontan in Regionen, in denen ihre Komplexform am stabilsten ist. Dies könnte ein allgemeiner Nichtgleichgewichts-Mechanismus sein, den sich Zellen zunutze machen, um räumliche Muster in der Verteilung von Proteinen zu erzeugen.
Von Molekülen zu Systemen
Vom Inneren einer Zelle bis zur koordinierten Bewegung mehrerer Individuen umfassen lebende Systeme eine komplizierte Hierarchie von Prozessen, die auf verschiedenen Zeit- und Längenskalen ablaufen. Eine Stärke physikalischer Theorien liegt indes oft genau darin, die minimal notwendigen Bausteine zu identifizieren, die zur Beschreibung der Physik auf großen Skalen in einem gegebenen System erforderlich sind. Dies macht sie für unser Verständnis des kollektiven Verhaltens in lebender Materie unerlässlich.
Bei einem Bottom-up-Ansatz wird eine mikroskopische Theorie systematisch vergröbert, d.h. mathematisch immer weiter "herausgezoomt". Hierfür wendeten wir eine quantenphysikalische Methode, die dynamische Renormierungsgruppen-Theorie, auf die Beschreibung von chemisch interagierenden Einheiten an. Damit konnten wir die makroskopischen Eigenschaften von großen Ansammlungen solcher Einheiten bestimmen. Es zeigten sich Signaturen ihrer mikroskopischen Aktivität wie superdiffusive Dichtefluktuationen und nicht-Poissonsche Zahlenfluktuationen [3]. Solche allgemeingültigen Ergebnisse könnten zum Beispiel Aufschluss darüber geben, wie die molekulare Regulierung chemotaktischer Aktivität das Verhalten von Zellkolonien und Geweben auf großen Skalen bestimmt.
In anderen Fällen wollten wir ein makroskopisches, lebendes System beschreiben, das aus vielen mikroskopischen Nichtgleichgewichts-Komponenten besteht, ohne bestimmte Details über diese Komponenten zu kennen. Bei einem solchen Top-down-Ansatz können wir fundamentale Eigenschaften wie Symmetrien und Erhaltungssätze verwenden, um möglichst allgemeine Gleichungen zur Beschreibung des Systems zu finden. Auf diese Weise haben wir beispielsweise eine Theorie für makroskopische Systeme entwickelt, die nicht-reziproke Wechselwirkungen aufweisen [4], wie die oben beschriebene Ansammlung von chemisch interagierenden Enzymen. Unsere Theorie zeigt, dass in solchen Systemen spontan gebrochene Symmetrien generell zu oszillierenden und wandernden Zuständen führen können, selbst wenn die mikroskopischen Komponenten keinen Richtungssinn haben. Dies ist ein Ergebnis, das in einem Gleichgewichtssystem ohne nicht-reziproke Wechselwirkungen unmöglich wäre (Abb. 1).
Eine systematische Vergröberung von Theorien kann darüber hinaus zur Entdeckung unerwarteter Verbindungen zwischen Systemen führen, die a priori völlig unterschiedlich sind. So haben wir beispielsweise herausgefunden, dass in einem schmalen Kanal eingeschlossene, magnetotaktische Mikroschwimmer, die sich entlang eines Magnetfeldes bewegen, ein selbstorganisiertes Verhalten zeigen, das der Bose-Einstein-Kondensation ähnelt. Dies ist der exotische Quanten-Phasenübergang, den Bosonen wie Helium-4 oder andere atomare Gase durchlaufen, wenn sie fast bis auf den absoluten Temperaturnullpunkt abgekühlt werden (Abb. 2) [5].
Unsere Ergebnisse veranschaulichen und erweitern die Fülle neuer kollektiver Eigenschaften, die in Systemen aus lebender Materie entstehen. Sie liefern darüber hinaus Designprinzipien für die künftige Konstruktion lebensähnlicher, steuerbarer mikrorobotischer Systeme mit gewünschten Funktionen.
