52

JAHRESFEIER

Figur 17 a—c




Expression von Wnt-Molekülen
bei der Morphogenese bei der Hydra
Holstein et al. 2000

Zelle auf künstlichen Trägern
Spatz 2002

Verfolgung von Einzel-
molekülen auf einer Membran

7. Molekulare und zelluläre Prozesse
Mit moderner Technologie ist es möglich, Informationen auf molekularer Skala zu
bekommen und diese Skala in die Modellierung einzubeziehen. Dies ist zum Bei-
spiel wichtig, um die Vorgänge an Membranen zu studieren. Die Dynamik von
wechselwirkenden Einzelatomen und Molekülen wird bereits am Rechner teilweise
mit sogenannten Monte-Carlo-Methoden simuliert, wobei die Kräfte zwischen den
Einzelpartikeln angesetzt werden, da diese nur bei geringer Zahl von Atomen durch
quantenmechanische Methoden berechnet werden können. Eine Brücke von quan-
tenmechanisch berechenbaren Teilchensystemen zu komplexeren Systemen zu bil-
den, ist nach wie vor eine Herausforderung. Es ist notwendig, die Kräfte zwischen
Atomen, Molekülen und Molekül-Komplexen („molekularen Motoren“) zu be-
rechnen, will man die zelluläre Biomechanik und Biochemie verstehen. Bereits jetzt
ist es in den Materialwissenschaften gelungen, für spezielle Situationen physikalisch-
chemische Eigenschaften von Molekülen und Materialien zu berechnen, deren
experimentelle Bestimmung schwierig und mit großen Fehlern behaftet ist. Ziel der
mathematischen Modellierung und der Simulation ist es in diesem Bereich, die
Informationen aus der atomaren und molekularen Skala zunächst in die Skala ein-
zelner Zellen und von dort auf Zellsysteme zu übertragen. Im Falle mechanischer
Eigenschaften bedeutet dies zum Beispiel, aus den resultierenden Kräften einzelner
Molekülkomplexe unter einer chemischen Reaktion auf die einer einzelnen Faser,
und aus diesen auf die eines Netzwerkes von Fasern zu schließen. Auf diese Weise
soll es möglich werden, mechanischen Eigenschaften etwa von Zellmembranen,
Cytoskelett oder eines Zellgewebes zu berechnen. Umgekehrt sollte es möglich wer-
den, den experimentell beobachteten Einfluss von Scherspannung auf chemische
Prozesse in der Zelle quantitativ zu verstehen. [10]