Application of statistical physics tools to intracellular transport

Abstract

Most processes in our daily life are far from equilibrium. The prime example is a cell and the transport occurring within. In this thesis intracellular transport is modeled by means of stochastic processes. For this, two different approaches are applied: the explicit mod- eling of active particles with internal degrees of freedom with characteristics as they were determined experimentally. And secondly, the collective effects occurring in many particle systems are studied in a phenomenological way by means of exclusion processes. In the explicit model one important result is given by the fact that force fluctuations are essential to capture the relevant motion characteristics. Further, the influence of the cellular environment creates counter-intuitive effects, like a possible inversion of the bias. The motion characteristics can be represented in a coarse-grained manner as an exclusion process for particles with internal states. Due to the resulting disorder in the hopping rates a density-dependent condensation occurs. In a second part, a two-lane exclusion model is studied. Two species in a tubular geometry inspired by filamentous fungi are considered.This can be seen as a minimal model exhibiting a phase transition from a low density phase to an intriguing phase with periodically changing particle densities.

Die meisten Prozesse in unserem täglichen Leben laufen unter Zufuhr von Energie ab und müssen daher als Nichtgleichgewichtszustände gesehen werden. Ein wichtiges Beispiel hierfür ist eine biologische Zelle und der darin auftretende Transport. In dieser Arbeit wer- den Aspekte jenes intrazellulären Transports mittels stochastischer Prozesse modelliert. Da- zu werden zwei unterschiedliche Herangehensweisen untersucht: Zum einen das explizite Modellieren aktiver Teilchen mit innerem Freiheitsgrad mit Bewegungscharakteristiken wie sie experimentell bestimmt wurden. Zum anderen mittels eines phänomenologischen An- satzes gegeben durch Exklusionsprozesse. Als eines der Hauptergebnisse im expliziten Modell wird gezeigt, dass Kraftfluktua- tionen von essentieller Natur sind, um relevante Bewegungscharakteristiken zu erzeugen. Weiter ist der Einfluss des zellulären Millieus nicht zu vernachlässigen, was zum Beispiel eine Umkehrung des Richtungsbias herführen kann. Der Transport kann im Rahmen einer effektiven Beschreibung durch ein Teilchen mit internen Bewegungszuständen repräsentiert werden. Aufgrund der dadurch resultierenden Unordnung in den Hüpfraten entsteht eine dichteabhängige makroskopische Kondensation. Des Weiteren wird ein zwei-spuriger Exklussionsprozess analysiert. In diesem bewegen sich zwei Teilchenspezies in einer röhrenartigen Geometrie, die durch filamentartige Fungizellen inspiriert wurde. Diese Annahmen definieren ein minimales Modell, das einen Phasenübergang von einer Niedrigdichtephase zu einer faszinierenden Phase mit periodischen Dichteänderung aufweist.