Alumni-Preis 2024

Betreuer: Prof. Dr. Joachim Dzubiella

Kurzzusammenfassung der Arbeit (deutsch):

Biologische Zellen haben die Fähigkeit, zwischen internen Funktionszuständen in Abhängigkeit von der Dichte anderer Zellen in ihrer Umgebung zu schalten, was als "Quorum Sensing" bezeichnet wird. In dieser Arbeit untersuchen wir die Struktur und die Dynamik eines Modellsystems aus binären Kolloiden mit einem schaltbaren internen Freiheitsgrad in Gegenwart externer Potentiale. Die Kolloide in unserem Modell sind ideal, haben aber zwei mögliche diskrete Zustände, in denen sie unterschiedlich von dem externen Feld beeinflusst werden. Außerdem schalten die Kolloide zwischen diesen Zuständen zunächst mit konstanten, später mit von der lokalen Dichte in ihrer Umgebung abhängigen Raten. Wir untersuchen dieses Modell mit Simulationen der Brownschen Dynamik sowie mit einer theoretischen Beschreibung in Form von Reaktionsdiffusionsgleichungen. Wir finden zwei unabhängige Lösungen dieser Gleichungen, um das Kolloidverhalten zu beschreiben. Für konstante Schaltraten rekreieren wir Ergebnisse aus bestehenden Studien, z.B. ein effektives Potential im Bereich schneller Schaltraten. Für den Fall der lokalen Dichteabhängigkeit untersuchen wir zahlreiche Formen für die Abhängigkeitsfunktionen und quantifizieren den Einfluss ihrer Parameter. Eine sigmoidale Abhängigkeitsfunktion führt zu einem interessanten Struktureffekt in den Kolloiddichteprofilen, ein bemerkenswerter Befund, da von idealen Kolloiden nicht erwartet wird, dass sie ohne Wechselwirkungen strukturieren. Unser Modell ist in der Lage, tiefe Einblicke in den Quorum-Sensing-Signalprozess von Bakterien zu geben, insbesondere im Zusammenhang mit Biofilmbildung.