MORPHOPHYSICS Arbeitsgruppe

Die Fähigkeit von biologischem Gewebe sowohl das äußere Erscheinungsbild, als auch die innere Struktur zu ändern, ist die Ursache für das Wachstum von Organismen, ihre Anpassung an die Umwelt und die Regeneration nach Verletzungen. Formänderungen können dabei auch Funktionen in Gewebe ohne aktiven Stoffwechsel einnehmen. Dies geschieht beispielsweise bei der Pollenverbreitung bei Pflanzen. Solche morphogenetischen Prozesse werden durch biochemische und genetische Signale innerhalb der physikalischen Randbedingungen ihrer Umgebung übermittelt.

Die Bedeutung dieser physikalischen Bedingungen wurde in den letzten Jahren dadurch verdeutlicht, dass Zellen und wachsendes Gewebe tatsächlich auf mechanische Signale reagieren. Derartige Signale entstehen vermutlich durch eine Belastung die auf die äußere Grenzschicht wirkt. Sie können ebenfalls durch Druck erzeugende Prozesse im inneren des Gewebes auftreten. 

In unserer Forschungsgruppe versuchen wir zu ergründen wie mechanische und geometrische Randbedingungen das Wachstum und Anschwellen von Gewebe beeinflussen. Um Ergebnisse für diese Annahmen herbeizuführen, verwenden wir theoretische und experimentelle Methoden. Die folgenden Forschungsschwerpunkte beruhen auf der Zusammenarbeit mit Prof. Peter Fratzl vom Max Planck Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Abteilung Biomaterialien, in Potsdam.

Gewebewachstum

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Abbildung 1: konfokales Mikroskopbild von Actin-gefärbtem wachsenden Gewebe auf wellenförmigen Flächen (Gamsjaeger et al. 2013)

Gewebewachstum wird zusätzlich zu der Tatsache, dass es durch biochemische und genetische Faktoren kontrolliert wird, auch durch physikalische Eigenschaften der lokalen Zellumgebung, wie beispielsweise Festigkeit und Form beeinflusst. Wir sind insbesondere daran interessiert zu zeigen, wie die lokale Geometrie, genauer gesagt die Krümmung der Oberfläche des Substrats, die Rate der Zellvermehrung (und daher auch das Gewebewachstum) beeinflusst. Unser Ziel ist es, theoretische Modelle für Gewebewachstum mit 4D Mikroskopiemethoden von in-vitro Zellkulturexperimenten zu kombinieren. Daraus resultierend soll der Einfluss des Wachstumsverhalten auf die Krümmung dargelegt werden. Die verwendeten Modelle dienen dazu, die Rolle der Geometrie auf Prozesse, wie Knochenheilung oder Umbau, zu verstehen.

Veränderbare Materialien

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Abbildung 2: Gedruckte quellfähige Honigwaben vor und nach einer Aufschellung (Guiducci et al,2015)

Grund für die Untersuchung dieser Thematik waren sind anderem hydroskopische Bewegungen pflanzlicher Organe, wie sie beispielsweise in Tannenzapfen oder anderen Pflanzen mit vergleichbarer Saatverbreitung auftreten. Das besondere an diesen Systemen ist, dass ihre Organe sowohl die Struktur, als auch die Grundversorgung repräsentieren. Ihre Art der Bewegung wird durch die geometrische Anordnung der einzelnen Bestandteile eines Gewebes mit unterschiedlichen Quellfähigkeiten bestimmt. Der Schwerpunkt dabei liegt auf dem Erstellen von 3D Modellen in Zusammenarbeit mit Biologen, um die Öffnungsmechanismen von verschiedenen Pflanzenteilen zu verstehen. Die gewonnenen Resultate aus dieser Forschung können in Zusammenarbeit mit Chemikern auf die Entwicklung neuer biometrische Verbundstoffe angewendet werden, die häufig Anwendung in der 3D-Drucktechnologie finden.

Strukturelle Beziehungen in biologischen Material

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Abbildung 3: Darstellung von Materialeigenschaften von biologischen Materialien basierend auf (Wegst and Ashby, 2004).

Obwohl es sehr viele Arten und Formen von Gewebe in der Natur gibt, lässt sich mit Überraschung feststellen, dass der Großteil von strukturellen Gewebe nur aus einer begrenzten Anzahl an Komponenten aufgebaut ist. Der große Anwendungsbereich des Materials beruht auf der Tatsache, dass Gewebe im Grunde genommen Verbundmaterial ist, das die verschiedenen physikalische Eigenschaften jeder einzelnen Komponente in sich vereint. Die Vielzahl an verschiedenen Eigenschaften die aus den gleichen Komponenten entstehen können, basiert auf der genauen Anordnung und Strukturierung der "Bauteile" bei unterschiedlichen Größeneinheiten, wie auch der Anordnung und Art der Verbindungen. Daher ist es unser Ziel, die auftretenden Mikrostrukturen zu ergründen und ihren Ursprung zu erläutern. Durch Aufschlüsselung dieser Prinzipien könnten bedeutende Fortschritte in der Entwicklung synthetischer Stoffe erzielt werden.

Simulation aktiver Teilchenbewegung

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Abbildung 4: Die aktive Bewegung von Teilchen auf einer Ellipsoidoberfläche resultiert in einem schwarmartigen Umfließen eines zentralen Punktes(Ehrig et al 2017)

Wenn sich selbständig bewegende Teilchen mit einer ausreichenden Zahl an anderen Teilchen in einem gewissen Raum gegenseitig beeinflussen, enstehen komplexe Fließmuster. In der Natur gibt es dazu zahlreiche Beobachtungen, wie das Schwarmverhalten von Fischen oder Insekten und die Flugformationen von Vögeln. Die Herausforderung dabei besteht in der Anwendung dieses Prinzips auf Objekte in abgeschlossenen gekrümmten Systemen. Dabei konnte man feststellen, welchen Einfluss die räumliche Struktur und Krümmung auf die Musterbildung hat. Diese Art der Modelle können bei der Anordnung aktiv angetrieben biologischen Einheiten, wie Zellen, Anwendung finden, um zu verstehen wie Zellwachstum organisiert ist.

 

 

 

 

  • News
    Für seine Publikation zur Entgiftung der Metalle Strontium und Barium in den Zellen der Hochmoor-Grünalge Micrasterias erhält der Salzburger Biologe Martin Niedermeier den Fritz-Grasenick-Preis 2018 der Österreichischen Gesellschaft für Elektronenmikroskopie (ASEM) im Bereich Life Sciences. Niedermeier hat entdeckt, dass diese Algen aus den Schadstoffen Kristalle bilden, um mit ihnen zurechtzukommen und hat dies mit speziellen Methoden der Elektronenmikroskopie nachgewiesen.
    jeweils mittwochs (10. April, 8. und 22. Mai 2019) von 13:00 - 14:00 Uhr im Clubraum der KHG (Wiener-Philharmoniker-Gasse 2, Salzburg)
    Eine botanische Malerin, Mischa Skorecz sowie ein Fotograf, Mischa Erben stellen Ihre Bilder im Botanischen Garten Salzburg aus.
    Wo: Im Botanischen Garten, Hellbrunnerstr. 34, A-5020 Salzburg
    Wann: 15.4. bis Ende August 2019.
    »Das Bedürfnis nach gerechter Sühne« Wege von »Berufsverbrecherinnen« in das Konzentrationslager Ravensbrück
    Bereits zum zweiten Mal wandert die >KinderUNI unterwegs< mit gebündeltem Wissen in die Region Pongau, heuer in das Bundeschullandheim Schloss Tandalier in Radstadt. Am 2. und 3. Mai 2019 bietet die Universität Salzburg gemeinsam mit akzente Salzburg dem Regionalverband und der KLAR!-Region Pongau, der LAG Lebens.Wert.Pongau, der Kompass Mädchenberatung sowie Architektur - Technik + Schule ein buntes und kostenfreies Programm.
    Gastvortrag von Herrn Univ.-Prof. Dr. Andreas Heil, Universität Wien, am Montag, 6.5.2019, 17.30, Residenzplatz 1, Abguss-Sammlung SR. E.33, Fachbereich Altertumswissenschaften
    Montag, 06.05.2019 um 17:00 Uhr, UniPark: Vortrag von Kohei Saito, Universität Osaka, Japan, im Rahmen der Ringvorlesung "Globale Herausforderungen - Antworten auf den Klimawandel"
    Die Podiumsdiskussion findet im Rahmen der Veranstaltungsreihe "Theologie im Zeichen der Zeit"am 7. Mai 2019 um 18:00 im HS 101 der Katholisch-Theologischen Fakultät (Universitätsplatz 1, Salzburg, EG) statt.
    Was Arbeit mit Kommunikation zu tun hat 8. Mai 2019, 15.00-18.00, FÜNFZIGZWANZIG, Residenzplatz 10, 5020 Salzburg
    Vortrag von Daniel Tanuro, Agraringenieur und ökosozialistischer Aktivist, am Donnerstag, 9. Mai um 19:30 im UniPark Salzburg im Rahmen der Ringvorlesung "Globale Herausforderungen - Antworten auf den Klimawandel"
    Vortrag von Birgit Mahnkopf, Berlin, am Donnerstag, 9. Mai um 18 Uhr im UniPark Salzburg im Rahmen der Ringvorlesung "Globale Herausforderungen - Antworten auf den Klimawandel"
    Am: 16.05.2019 // Zeit: 18:30h s.t. - 20:00h // Ort: Hörsaal 209 (!) der Rechtswiss. Fakultät der Universität Salzburg // Churfürststraße 1 // A-5020 Salzburg // (Zugang beschildert)
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