Skalenverhalten von Nichtgleichgewichts-Messgrößen in weicher biologischer Materie

• Antragsteller: Professor Dr. Chase Broedersz
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 418389167

Lebende Materie agiert fern vom thermodynamischen Gleichgewicht. Wichtige Beispiele hierfür sind Chromosome und das Zytoskelett, wo die molekulare Aktivität von Enzymproteinen Nichtgleichgewichts-Fluktuationen auf großen Skalen antreibt. Eine allgemeine Methode, um die Eigenschaften der mikroskopischen Aktivität durch experimentell realisierbare mesoskopische Messungen zu bestimmen, fehlt bisher. Vor Kurzem haben wir gezeigt, dass die aktiven Eigenschaften lebender Materie nicht-invasiv bestimmt werden können, indem die stochastische Dynamik von mesoskopischen Freiheitsgraden mithilfe von Zeitraffermikroskopie beobachtet wird. Die Nichtgleichgewichts-Dynamik dieser Systeme kann sich in Form von zirkulierenden Wahrscheinlichkeitsströmen im Phasenraum der mesoskopischen Koordinaten äußern, was impliziert, dass das detaillierte Gleichgewicht des Systems gebrochen ist. Unser Hauptziel ist es, zu zeigen wie quantitative Informationen über die aktiven Eigenschaften weicher biologischer Systeme aus Phasenraumflüssen und deren Nichtgleichwichts-Messgrößen hergeleitet werden können.Um dieses Ziel zu erreichen, werden wir eine stochastische Theorie für aktive weiche Aggregate entwickeln, um so ein theoretisches Verständnis des räumlichen Skalenverhalten des detaillierten Gleichgewichts in getriebenen Systemen zu entwickeln. Genauer verwenden wir Gitter aus elastischen Federn, die aktiv getrieben werden, um zu erklären wie die Systemeigenschaften, wie beispielsweise die Systemarchitektur oder die Charakteristika der aktiven Triebkräfte, das Skalenverhalten der Nichtgleichgewichts-Messgrößen bestimmen. Unsere Forschung zielt daher darauf ab, neue Methoden zu entwickeln, mit denen die stochastische Nichtgleichgewichts-Dynamik in biologischen Systemen gemessen, analysiert und interpretiert werden kann. Dies wird neue Herangehensweisen für die physikalische Charakterisierung lebender Materie in Zellen und Geweben ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Ming Guo