Selbstassemblierung in der Umgebung von Membranen

Selbstassemblierung ist ein Prozess, bei dem die Wechselwirkungen zwischen einer ungeordneten Menge von Subeinheiten das spontane Entstehen einer geordneten Struktur auslösen. Viele Zellkomponenten, die Bausteine aller Organismen, sind selbstassembliert, oft aus Proteinen, weshalb diese Vorgänge eine fundamentale Lebensgrundlage darstellen. Entsprechend breit ist die Vielfalt an Humanerkrankungen, die mit Störungen der Selbstassemblierung in Verbindung stehen, allen voran die zahllosen Virenerkrankungen, verursacht durch selbstassemblierte Krankheitserreger. Ein tieferes Verständnis der Selbstassemblierung könnte zur Entwicklung von Heilverfahren gegen diese Erkrankungen beitragen. Ein wichtiger Schritt zum Erreichen dieses Verständnisses, ist die Erforschung der zugrundeliegenden Physik. Ziel dieses Projektes ist es, einen Beitrag in diese Richtung zu leisten. Viele physikalische Studien haben die Selbstassemblierung untersucht. Die Assemblierung von Proteinen vollzieht sich im Allgemeinen in Zellen, die von einer Membran, einer fluktuierenden Oberfläche, umgeben sind und außerdem eine Vielzahl membrangebundener Komponenten enthalten. Es liegen Beweise vor, dass die Selbstassemblierung vieler Strukturen, inklusive der Virenzellkerne, Clathrin und Aktin, stark von den Membranen beeinflusst wird. Frühere physikalische Untersuchungen haben diesen wichtigen Aspekt weitgehend außer Acht gelassen; es gibt nur einige Arbeiten mit wenigen spezifischen Beispielen, bei denen der Einfluss der Membran auf die Assemblierung berücksichtigt wurde. Wir haben vor, uns vornehmlich mit Proteinstrukturen auseinanderzusetzen, deren Assemblierungsprozesse durch Membrane beeinflusst werden, ohne dass die Proteine in die Membrane eindringen bzw. dass sie nur zum kleinen Teil eindringen. Angesichts des Mangels an früheren Untersuchungen, ist es äußerst wichtig, die physikalischen Prozesse, die solchen Systemen zugrundeliegen, abzubilden. Wir haben uns für grobkörnige Simulationsmodelle entschieden, die es uns erlauben, eine große Menge an Parametern zu erforschen und uns so an die zugrunde- liegende Physik heranführen. Für die selbstassemblierenden Proteine verwenden wir patchy-particles, die bereits erfolgreich bei der Modellassemblierung von viralen Kernen und Clathrin eingesetzt wurden. Membranen werden durch die Verwendung von Netzwerkmodellen einbezogen, die leicht mit patchy-particles gekoppelt werden können und genügend Details beinhalten; gleichzeitig ermöglicht diese Modellierung eine effiziente Computersimulation der Prozesse. Wir werden Simulationen mittels Monte Carlo und Brownian dynamics einsetzen, um die Gleichgewichtsstrukturen zu erforschen. Für die Untersuchung der Dynamik werden wir multiparticle-collision dynamics anwenden, eine Methode, bei der hydrodynamische Wechselwirkungen einbezogen sind.