20. Mai 2006

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9. Signalübertragung und chemische Gradienten: Chemotaxis
Die Signalübertragung erfolgt insbesondere in Wellen von elektrischen Potentialen
und Konzentrationen, aber auch durch mechanische Impulse. Konzentrations-Gra-
dienten spielen die entscheidende Rolle bei der Chemotaxis, bei der sich die Orga-
nismen in ihrer Bewegung nach anziehenden oder auch abstoßenden chemischen
Substanzen ausrichten. Es ist offensichtlich, dass Chemotaxis zur Musterbildung bei-
trägt. Die Modellierung von Taxis allgemein ist ein aktuelles Forschungsgebiet. Die
entsprechenden Modellgleichungen sind keinesfalls mathematisch verstanden und
stellen wegen der auftretenden Nichtlinearitäten auch an die Numerik neue Heraus-
forderungen. Wegen ihrer biologischen bzw. medizinischen Bedeutung werden sie
verstärkt bearbeitet. Hier soll eine besonders wichtige Fragestellung als Beispiel
angeführt werden: Wie finden Blutstammstellen den Weg zu den Stromazellen im
Knochenmark? Der Kontakt zu den Stromazellen ist entscheidend für ihre Diffe-
renzierung. Es ist bekannt, dass von den Stromazellen ein chemischer Attraktor
ausgeht, den die Stammzellen als richtungsweisendes Signal nutzen. Angeregt durch
die Diskussionen in dieser Akademie haben Herr Ho (Hämatologie, Universität
Heidelberg) und ich gemeinsam mit Mitarbeitern begonnen, diesen Prozess quanti-
tativ experimentell zu untersuchen, zu modellieren und zu simulieren. Dabei arbeitet
Herr Grunze (Physikalische Chemie,Universität Heidelberg) mit moderner Tech-
nologie am Experiment mit. [26, 15]
Die ersten Simulationen dienten zum Test der Modellgleichungen und als
nützliche Information für ein neues Experiment, bei dem die Motilität der Stamm-
zellen quantitativ untersucht werden soll.






0.256
0.196
0.135
0.0749
0.0145



10.183
0.145
0.106
0.0673
0.0286

Figur 20 a,b
Zu sehen ist ein Ausschnitt einer Petrischale, in der Stamm-
zellen (oben) in Wellenfronten zu den Stromazellen (unten)
wandern. (Experiment Ho et al.)
Links sind Zeitschnitte einer Welle von links nach rechts
dargestellt, die mit den aufgestellten Modellgleichungen
berechnet wurden. (Kettemann, Neuss-Radu, Jäger 2006)