Instabilitäten aktiver polarer Fluide in der Taylor-Couette-Geometrie und Migrationsanalyse menschlicher Immunzellen

Abstract

Eine wesentliche Eigenschaft lebendiger Materie ist ihre „Aktivität“, also die Fähigkeit, chemische in mechanische Energie umzuwandeln. Das Konzept des „aktiven polaren Fluids“ ermöglicht eine Kontinuumsbeschreibung einer Vielzahl von biologischen Systemen unter besonderer Berücksichtigung gebrochener räumlicher Symmetrien. Wir untersuchen die Dynamik eines solchen Fluids in einer planaren Taylor-Couette-Geometrie, einer ebenen Fläche, die durch konzentrische Zylinder begrenzt wird. Wir finden in Abhängigkeit von der Aktivität des Systems eine Vielzahl spontaner Strömungsmuster, insbesondere auch in Abwesenheit externer Drehmomente. Als Beispiel für ein aktives System analysieren wir die Migration von CD8⁺ T-Zellen und Natürlichen Killerzellen (NK-Zellen), zweier wesentlicher Bestandteile des menschlichen Immunsystems. Die zugrunde liegenden in-vitro Experimente wurden von Mitarbeitern der Arbeitsgruppe Markus Hoth (Lehrstuhl für Biophysik, Universität des Saarlandes) durchgeführt. Von besonderem Interesse sind dabei die Geschwindigkeit sowie die Persistenz der Bewegungsrichtung der Zellen. Wir modellieren die Bewegung der Zellen als persistenten Random Walk mit Ruhezeiten und vergleichen dies mit alternativen Modellen.

An essential property of living matter is its “Activity”, i.e. its ability to transform chemical into mechanical energy. The concept of “active polar fluids” enables us to mathematically describe a large class of such biological systems while considering broken spatial symmetries. We analyze the dynamics of an active polar fluid in a planar Taylor-Couette geometry. i.e. a planar space bounded by two concentric cylinders. Depending on the system's activity we find several classes of spontaneous flow patterns, even in the absence of external torques. As an example of an active system, we analyze the migration of CD8⁺ T-cells as well as natural killer cells (NK cells), which are essential components of the human immune response. The in-vitro experiments have been performed by members of the group of Markus Hoth (Biophysics, Saarland University). We are especially interested in the velocities as well as the persistence of direction of the cells' motion. We model the motion as persistent random walks with resting phases and compare this model to alternative ones.