Bewegungen von prozessiven molekularen Motoren des Zytoskeletts sind durch ein Wechselspiel von gerichteter Bewegung entlang von Filamenten und Diffusion in der umgebenden Lösung gekennzeichnet. Diese eigentümlichen Bewegungen werden in der vorliegenden Arbeit untersucht, indem sie als Random Walks auf einem Gitter modelliert werden. Ein weiterer Gegenstand der Untersuchung sind Effekte von Wechselwirkungen zwischen den Motoren auf diese Bewegungen. <br /> <br /> Im einzelnen werden vier Transportphänomene untersucht: <br /> (i) Random Walks von einzelnen Motoren in Kompartimenten verschiedener Geometrien, <br /> (ii) stationäre Konzentrationsprofile, die sich in geschlossenen Kompartimenten infolge dieser Bewegungen einstellen,<br /> (iii) randinduzierte Phasenübergänge in offenen röhrenartigen Kompartimenten, die an Motorenreservoirs gekoppelt sind, und <br /> (iv) der Einfluß von kooperativen Effekten bei der Motor-Filament-Bindung auf die Bewegung. Alle diese Phänomene sind experimentell zugänglich, und mögliche experimentelle Realisierungen werden diskutiert. / Movements of processive cytoskeletal motors are characterized by an interplay between directed motion along filament and diffusion in the surrounding solution. In the present work, these peculiar movements are studied by modeling them as random walks on a lattice. An additional subject of our studies is the effect of motor-motor interactions on these movements. <br /> <br /> In detail, four transport phenomena are studied: <br /> (i) Random walks of single motors in compartments of various geometries, <br /> (ii) stationary concentration profiles which build up as a result of these movements in closed compartments, <br /> (iii) boundary-induced phase transitions in open tube-like compartments coupled to reservoirs of motors, and <br /> (iv) the influence of cooperative effects in motor-filament binding on the movements. All these phenomena are experimentally accessible and possible experimental realizations are discussed.

In biological cells, the long-range intracellular traffic is powered by molecular motors which transport various cargos along microtubule filaments. The microtubules possess an intrinsic direction, having a 'plus' and a 'minus' end. Some molecular motors such as cytoplasmic dynein walk to the minus end, while others such as conventional kinesin walk to the plus end. Cells typically have an isopolar microtubule network. This is most pronounced in neuronal axons or fungal hyphae. In these long and thin tubular protrusions, the microtubules are arranged parallel to the tube axis with the minus ends pointing to the cell body and the plus ends pointing to the tip. In such a tubular compartment, transport by only one motor type leads to 'motor traffic jams'. Kinesin-driven cargos accumulate at the tip, while dynein-driven cargos accumulate near the cell body. We identify the relevant length scales and characterize the jamming behaviour in these tube geometries by using both Monte Carlo simulations and analytical calculations. A possible solution to this jamming problem is to transport cargos with a team of plus and a team of minus motors simultaneously, so that they can travel bidirectionally, as observed in cells. The presumably simplest mechanism for such bidirectional transport is provided by a 'tug-of-war' between the two motor teams which is governed by mechanical motor interactions only. We develop a stochastic tug-of-war model and study it with numerical and analytical calculations. We find a surprisingly complex cooperative motility behaviour. We compare our results to the available experimental data, which we reproduce qualitatively and quantitatively. / In biologischen Zellen transportieren molekulare Motoren verschiedenste Frachtteilchen entlang von Mikrotubuli-Filamenten. Die Mikrotubuli-Filamente besitzen eine intrinsische Richtung: sie haben ein "Plus-" und ein "Minus-"Ende. Einige molekulare Motoren wie Dynein laufen zum Minus-Ende, während andere wie Kinesin zum Plus-Ende laufen. Zellen haben typischerweise ein isopolares Mikrotubuli-Netzwerk. Dies ist besonders ausgeprägt in neuronalen Axonen oder Pilz-Hyphen. In diesen langen röhrenförmigen Ausstülpungen liegen die Mikrotubuli parallel zur Achse mit dem Minus-Ende zum Zellkörper und dem Plus-Ende zur Zellspitze gerichtet. In einer solchen Röhre führt Transport durch nur einen Motor-Typ zu "Motor-Staus". Kinesin-getriebene Frachten akkumulieren an der Spitze, während Dynein-getriebene Frachten am Zellkörper akkumulieren. Wir identifizieren die relevanten Längenskalen und charakterisieren das Stauverhalten in diesen Röhrengeometrien mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen und analytischen Rechnungen. Eine mögliche Lösung für das Stauproblem ist der Transport mit einem Team von Plus- und einem Team von Minus-Motoren gleichzeitig, so dass die Fracht sich in beide Richtungen bewegen kann. Dies wird in Zellen tatsächlich beobachtet. Der einfachste Mechanismus für solchen bidirektionalen Transport ist ein "Tauziehen" zwischen den beiden Motor-Teams, das nur mit mechanischer Interaktion funktioniert. Wir entwickeln ein stochastisches Tauzieh-Modell, das wir mit numerischen und analytischen Rechnungen untersuchen. Es ergibt sich ein erstaunlich komplexes Motilitätsverhalten. Wir vergleichen unsere Resultate mit den vorhandenen experimentellen Daten, die wir qualitativ und quantitativ reproduzieren.