Self-organized cyclic patterns in muscles and microscopic swimming

Abstract

Living cells are self-sustained units of organisms. Within cells the complex interplay of a high amount of proteins and other molecules relies on information that is encoded in the dna. The self-organisation of cellular constituents might play an important role in cellular activity. There is evidence for self-organization in the cytoskeleton of cells where small numbers of interacting proteins create patterns of a higher order. The cytoskeleton of muscles has been shown to exhibit cyclic behaviour and wave patterns in absence of regulatory mechanisms. This thesis provides evidence that the experimental results can be accounted for by the self-organization of cytoskeletal filaments and motor proteins. A microscopic model exposes that the dynamics is excitable. Continuous descriptions of muscles reveal a non-hydrodynamic mode that accounts for wave generation. The phenomenological coefficients can directly be related to microscopic parameters. For this study, the principles that underly spontaneous muscle oscillations are used in a conceptual design of a simple self-driven swimmer at low Reynolds number. The swimmer's motion can self-organize into directed movement by dynamically breaking the swimmer's symmetries.

Lebende Zellen sind selbständige Untereinheiten von Organismen. Innerhalb von Zellen beruht das komplexe Wechselspiel einer großen Menge verschiedener Proteinarten und anderer Moleküle auf Informationen die in der DNA kodiert sind. Dabei könnte die Selbstorganisation der Bestandteile von Zellen eine wichtige Rolle in der zellulären Aktivität spielen. Es gibt Hinweise auf selbstorganisierte Prozesse im Zytoskelett von Zellen wobei wenige verschiedenartige Proteine miteinander wechselwirken und Ordnungsstrukturen erzeugen. Im Zytoskelett von Muskeln werden oszillatorische Aktivitäten und Wellenmuster beobachtet, ohne regulatorische Mechanismen. Diese Arbeit findet Hinweise, dass die Selbstorganisation von Filamenten und Motorproteinen des Zytoskeletts die experimentellen Ergebnisse erklären kann. Ein mikroskopisches Model zeigt zudem die Anregbarkeit der Dynamik. In Beschreibungen von Muskeln als kontinuierliches Medium kann eine nicht hydrodynamische Mode identifiziert werden, die für die Wellenphänomene von essentieller Bedeutung ist. Dabei können phänomenologische Koeffizienten mikroskopischen Parametern zugeordnet werden. Die Prinzipien, die zu spontanen Muskeloszillationen führen, werden in einer Konzeptstudie eines einfachen Schwimmers bei kleinen Reynolds-Zahlen genutzt. Die Bewegung des Schwimmers kann sich von selbst in einen Zustand gerichteter Bewegung organisieren indem sie die Symmetrien des Schwimmers dynamisch bricht.