Wenn sich Teilchen durch wachsende Zellen bewegen, entstehen spontan Cluster, ganz ohne Anziehungskräfte. MPI-Forscher entdeckten dieses Phänomen und erschlossen neue Einblicke in Tumor- und Biofilmdynamik.

• Ein Medium bestehend aus wachsenden und sich teilenden Zellen verändert das Verhalten anderer Zellen oder Teilchen maßgeblich, wenn sich diese hindurch bewegen
• In einem solchen Medium treten Clusterbildung und Phasenseparation von bewegten Teilchen auf – auch ohne spezifische Anziehungskräfte
• Die Ergebnisse liefern wertvolle Erkenntnisse für die Dynamik von Tumorwachstum, bakteriellen Biofilmen und synthetischen Mikroschwimmern

In der Physik wird die spontane Entmischung zweier Substanzen als Phasenseparation bezeichnet. In der Natur entstehen dadurch Strukturen und Muster, typischerweise aufgrund von Anziehungskräften zwischen den Bestandteilen. Forschende am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation (MPI-DS) in Göttingen haben gemeinsam mit Kolleg*innen der Universität Edinburgh und des Instituts für Physikalische Chemie in Warschau dieses Phänomen erforscht. Sie haben dabei einen neuen Weg zur Phasenseparation in Systemen entdeckt, in denen die Bestandteile selbst lebendig oder aktiv sind. In ihrer aktuellen Studie in Physical Review Research zeigen sie, dass sich selbst bewegende Teilchen – seien es lebendige Zellen oder künstliche Partikel – spontan Cluster bilden können, wenn sie sich durch eine dichte Kolonie sich teilender Zellen bewegen. Die treibende Kraft für diese unerwartete Clusterbildung ist dabei keine Wechselwirkung zwischen den Teilchen selbst, sondern entsteht aufgrund der sich ständig erneuernden Umgebung, die von den wachsenden Zellen um sie herum geschaffen wird.

Zwei Arten von Aktivität, ein überraschendes Ergebnis

Mithilfe von Computersimulationen untersuchten die Forschenden ein dichtes Gemisch zweier Partikeltypen: Der eine Typ kann wachsen, sich teilen und sterben – wie Zellen in einer Bakterienkolonie oder einem Gewebe. Als die Forschenden dann selbstangetriebene, sich bewegende Teilchen als zweiten Typ in diese lebendige Matrix gaben, geschah etwas Bemerkenswertes: Je nach Antriebskraft verteilten sich die Partikel entweder gleichmäßig oder bildeten dichte, kristallartige Cluster. Der Übergang zwischen diesen beiden Verhaltensweisen ist dabei scharf – ein sogenannter Phasenübergang zur Phasenseparation.

Philip Bittihn, Gruppenleiter am MPI-DS, kommentiert: „Wir haben ein dichtes System untersucht, in dem es nur abstoßende Wechselwirkungen zwischen allen Teilchen gibt; dennoch bildeten die sich bewegenden Teilchen spontan Cluster. Das war wirklich überraschend.“

Wachstum als versteckte Kraft

Um den Ursprung dieser Clusterbildung zu verstehen, untersuchte das Team zunächst, wie das umgebende Medium aus sich vermehrenden Zellen ein einzelnes, nicht wachsendes, sich fortbewegendes Teilchen beeinflusst. Für sich allein genommen würde sich ein solches Partikel in einer geraden Linie mit konstanter Geschwindigkeit fortbewegen. Ist es jedoch von sich vermehrenden, sterbenden und sich immer wieder neu anordnenden Zellen umgeben, wird es ständig hin und her geschoben. Diese zufälligen Kräfte benachbarter Zellen wirken dabei wie thermisches Rauschen und machen die Bahn des Teilchens unregelmäßig und diffus. Das dichte Medium erzeugt zudem einen reibungsartigen Widerstand, der die effektive Geschwindigkeit des Teilchens verlangsamt und dazu führt, dass es häufiger die Richtung wechselt.

So verwandelt das umgebende Medium einen einfachen ballistischen Schwimmer in etwas, das sich wie ein aktives Brownsches Teilchen verhält – ein von Physikern häufig verwendetes Modell für selbstangetriebene Teilchen mit Rauschen, Reibung und Richtungswechseln –, ohne dass das Partikel selbst über eine dieser Eigenschaften verfügt.

Lukas Hupe, Erstautor der Studie, sagt dazu: „Das Medium aus sich vermehrenden Zellen leistet hier die ganze Arbeit. Es ist wirklich erstaunlich, dass eine lebendige Umgebung die Physik der darin befindlichen Objekte so sehr beeinflussen und völlig verändern kann.“

Abstoßung, die sich als Anziehung manifestiert

Rauschen und Reibung allein reichen jedoch nicht aus, um Kondensation zu bewirken – es muss noch etwas geben, das die Partikel zueinander zieht. Hier spielt das Medium eine zweite Rolle. Befinden sich zwei nicht wachsende Teilchen in unmittelbarer Nähe, stört ihre gemeinsame Anwesenheit den lokalen Fluss sich teilender und sterbender Zellen um sie herum auf eine ganz bestimmte Weise. Diese synchrone Störung führt wiederum im Mittel dazu, dass die beiden Partikel durch die Umgebung aufeinander zu getrieben werden. Wie bei den anderen oben erwähnten Eigenschaften wurde also keine Anziehungskraft in die Simulation eingebracht, sondern diese entsteht spontan aus der kollektiven Dynamik der wachsenden Umgebung.

Der genaue physikalische Ursprung der effektiven Anziehung ist noch unklar. Ramin Golestanian, Direktor am MPI-DS, kommentiert: „Was wir beobachten, erinnert an den Casimir-Effekt: Hier erzeugen veränderte Quantenfluktuationen zwischen zwei Platten eine Anziehung, ohne dass eine direkte Wechselwirkung stattfindet. Genau wie in unserem System, wo die Anwesenheit der Partikel das fluktuierende Medium aus sich vermehrenden Teilchen verändert. Derzeit ist diese Analogie noch spekulativ, aber sie ist verlockend.“

In einem vereinfachten Modell zeigen die Forschenden, dass die beiden neuen Eigenschaften, die das wachsende Medium hervorbringt – das Verhalten als aktive Brownsche Teilchen und die entstehende Anziehungskraft – schließlich ausreichen, um den Phasenübergang zu erklären.

Ein Phasenübergang, der rückwärts verläuft

Diese neu beobachtete Art der Phasenseparation weist ein weiteres, kontra-intuitives Merkmal auf. Bei der bekanntesten Form der Phasenseparation in aktiven Systemen, die durch Motilität erzeugt wird (der sogenannten Motility-Induced Phase Separation), sind es die schnellen Schwimmer, die sich zu Clustern zusammenfinden. Diese Teilchen sammeln sich an Kollisionsgrenzen, weil sie beim Aufeinandertreffen langsamer werden und so ein sich selbst verstärkender „Stau“ entsteht. Bartlomiej Waclaw aus Edinburgh betont: „In unserem Fall ist das Gegenteil der Fall, und es sind die langsamen Schwimmer, die kondensieren. Je schneller sich ein Partikel fortbewegt, desto leichter entzieht es sich der durch das wachsende Medium erzeugten effektiven Anziehungskraft und desto unwahrscheinlicher ist es, dass es sich einem Cluster anschließt.“ Sobald die Eigenbewegung stark genug ist, lösen sich die Cluster auf. Bei geringerer Eigenbewegung bilden sie sich wieder.

Von der abstrakten Physik zu Biofilmen und Tumoren

Die gewonnenen Erkenntnisse sind nicht nur von grundlegendem theoretischem Interesse, sondern auch relevant für viele biomedizinische Anwendungen. Bakterielle Biofilme bestehen beispielsweise oft hauptsächlich aus wachsenden Zellen, durch die sich eine Subpopulation von Bakterien bewegt. In Tumoren koexistieren sich schnell vermehrende Krebszellen mit Zellen, die durch eine Transformation invasiv geworden sind und sich durch ihre Umgebung bewegen. Auch synthetische Mikroschwimmer oder künstliche Partikel, die zur Abgabe von Wirkstoffen durch Gewebe navigieren, könnten sich in Umgebungen wiederfinden, die von wachsenden Zellen dominiert werden. In all diesen Situationen kann das Verhalten der sich bewegenden Akteure durch die Umgebung aus wachsenden Zellen grundlegend verändert werden, und zwar in einer komplexen Weise, die weit über ein einfaches „Gedränge“ hinausgeht.

Quelle: Pressemitteilung Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation