Dynamik topologischer Defekte in bakterieller aktiver Materie

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Bär; Dr. Sebastian Heidenreich
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 396653815

Dieses Projekt verfolgt das Ziel, topologische Defekte in schwärmenden Bakterienkolonien zu identifizieren und exakt zu beschreiben. Wir beabsichtigen, Statistik und Dynamik dieser Defekte eingehend zu analysieren, um so die kollektive Bewegung der Bakterien präzise charakterisieren zu können. Aus physikalischer Sicht dienen topologische Defekte als Indikator für die zugrundeliegenden Mechanismen. Biologisch betrachtet, wird vermutet, dass sie in Verbindung mit der Bildung von Schichten und möglicherweise auch der Entstehung von Biofilmen stehen. Auf diese Weise ist die Physik der Defekte direkt mit der biologischen Entwicklung der Kolonie verknüpft. Unser Projekt vereint sowohl experimentelle (in Israel) als auch theoretische (in Deutschland) Ansätze. Auf experimenteller Ebene werden wir das Verhalten von Bacillus subtilis und verwandten Stämmen in zwei unterschiedlichen Versuchsanordnungen, nämlich Monolayer und Multilayer, untersuchen. Durch Monolayer-Experimente können wir die durchschnittliche Dichte als Kontrollparameter systematisch variieren, was eine umfassende Untersuchung von Clusterbildung und Phasentrennung in zwei Dimensionen (2D) ermöglicht. Multilayer-Kolonien (3D) hingegen zeigen bei annähernd konstanten Gesamtdichten faszinierende kollektive Bewegungen wie mesoskalige Turbulenzen. Auf theoretischer Ebene werden wir ein integriertes Kontinuumsmodell für aktive Flüssigkeiten mit polaren und nematischen Wechselwirkungen ableiten und ergründen, um die verschiedenen experimentellen Systeme zu modellieren. Zudem setzen wir Datenanalysemethoden ein, um die Defektdynamik sowohl aus den Experimenten als auch aus den Simulationen zu extrahieren und die Modellgleichungen zu kalibrieren. Die Ergebnisse der Experimente und der integrierten Kontinuumsmodelle werden im Hinblick auf die beobachtete Defektdynamik verglichen. Im Gegensatz zu Arbeiten, die sich auf die Charakterisierung einzelner Defekte konzentrierten, ermöglichen unsere experimentellen und modelltheoretischen Ansätze eine umfassende Untersuchung der Dynamik und kollektiven Organisation zahlreicher Defekte in verschiedenen biologisch relevanten Kontexten. Dies könnte erhellende Erkenntnisse über ihre Rolle bei der großräumigen Organisation von Bakterienschwärmen und ihre Auswirkungen auf morphologische Übergänge, wie die Biofilmbildung, bieten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel
• ausländische Mitantragsteller: Professor Dr. Gil Ariel; Professor Dr. Avraham Beer