Myxobakterien sind flexible stäbchenförmige Bodenbakterien (1µm x 8µm) die sich aktiv bewegen und Merkmale einzelliger und mehrzelliger Organismen zeigen:

• sie wachsen und teilen sich als einzelne Zellen,
• sie ernähren sich in dichten Schwärmen und
• aggregieren unter Hungerbedingungen und bilden vielzellige Fruchtkörper.

In den Simulationen wird untersucht, welche Prozesse für die Schwarmbildung entscheident sind.

Myxobakterien sind stäbchenförmige Bakterien die als individuelle Zellen in unstrukturierten Kolonie leben. Die hohe Zelldichten in den Kolonien ermöglicht es Myxobakterien große Mengen lytischer Enzyme auszustoßen, mit deren Hilfe sie Jagd auf Hefen und andere Bakterien machen.

In Folge des Mangels an verfügbaren Nährstoffen wird eine Entwicklungsphase eingeleitet, die der Bildung überdauerungsfähiger Sporen dient. In Vorbereitung der Sporulation durchläuft die Population eine komplexe Morphogenese. Wichtige Teilprozesse dieser Morphogenese sind die Aggregation in Schwärmen, die Bildung von Vortexaggregaten und die Erschließung der dritten Dimension während der Fruchtkörperbildung.

Wir untersuchen den Grad an Organisation der bereits durch die grundlegenden Eigenschaften der individuellen Zellen, wie aktive Bewegung auf Oberfächen und die Stäbchenform, hervorgerufen wird.

Eine längliche Myxobakterie wird durch einer Reihe von Segmenten abgebildet, die sich wiederum aus vielen kleinen Knoten eines Gitters zusammensetzen. Für die Simulation entscheidend ist die innere Energie des Zellsystems, die wie folgt bestimmt wird:

Oberflächenenergie

Interaktion zwischen verschiedenen Bakterien,

Deformationsenergie

Elastische Deformation der entspannten Stäbchenform,

Volumenenergie

Abweichung vom optimalen Volumen,

Bewegungsenergie

Bevorzugt eine Bewegung der Bakterien entlang ihrer Längsachse.

Die zeitliche Simulation wird im Potts-Modell durch ein stochastischen Prozess umgesetzt, der tendenziell die innere Energie des Systems minimiert, wobei die Zellen sich durch die zugeführte Bewgeungsenergie entlang ihrer Längsachse bewegen.

In Experimenten organisieren sich Myxobakterien in Clustern in welchen sich die Zellen gemeinsam bewegen. Interessanter Weise ist zu beobachten, dass sich je nach Zelldichte eine Gleichtgewichtsverteilung von Clustergrößen einstellt, bei dem kontinuierlich Cluster zerfallen und neu gebildet werden.

Die entstehende Clustergrößen-Verteilung konnte vom Modell vorhergesagt werden. Das Modell konnte die exprimentellen Daten erklären, obwohl viele biologische Details der Zellen weggelassen wurden und diese nur als elastische, sich autonom bewegende Stäbchen beschrieben wurden.

Morpheus ist eine Software Platform zur Modellierung und Simulation von multizellulären Phenomänen z.B. in Entwicklungsbiologie, Regeneration und anderen raum-zeitlichen Musterbildungsprozessen in der Biologie.

Über eine abstrakte Beschreibungssprache lassen sich biologische Modelle formulieren, welche automatisch in numerische Simulationenn übersetzt werden. Dies ermöglicht effiziente Workflows und die robuste numerische Implementierungen.

Experimentelle Szenarien können importiert und die Wirkweise von modellierten Mechanismen in silico untersucht werden. Als open source Platform kann Morpheus für spezielle Probleme erweitert werden.

Die Wichtigsten Grundlagen der räumlichen Organisation von Zellen sind diffusible Signale, Zell-Zellkommunikation und intrazelluläre Regulation. Deren gezielte Interaktion lässt Zellen Entscheidungen über Zellbewegung, Zellteilung und Veränderungen der biophysikalischen Zelleigenschaften treffen.

Morpheus bietet viele elementare Module, um diese Regulations und Kommunikationsprozesse mathematisch abzubilden. Aus den mathematisch formulierten Modellen werden Simulationen genereriert, visualisiert und Daten für weiterführende Analysen erzeugt.

Eigenschaften

• Gallenkanäle bestehen aus ca. 25-30 Hepatozyten
• Größe der Hepatozyten ca. 6000 µm³
• Kanallänge ca. 200 µm
• Kanaldurchmesser ca. 1 µm

Verengung der Gallenkanäle ist eine häufige Begeleiterscheinung bei Leberbezogenen Funktionsstörungen (z.B. Primär sklerosierende Cholangitis, Juckreiz) Verlauf:

• Durch lokale Entzündungen kommt es unter der Einwirkung von Immunzellen zum Verschluss von Gallenkanälen.
• Die folgende Druckerhöhung im Kanal führt zu geringerem Wassereintritt und zu höherer Gallendichte (Gallensteine).

Durch die Modellierung der Gallensekretion in den Hepatozyten wollen wir die Mechanismen des Krankheitsverlaufs verstehen.

Durch gezielte Beeinflussung der Regulation der zellulären Prozesse sollen die pathologische Effekte der Verengung der Gallenkanäle verhindert werden.