Ein Ansatz der Darstellung von neuartigen funktionalen Materialien basiert auf der Synthese von Foldameren mit charakteristischen Eigenschaften, die eine Kontrolle über Formgebung und Gestaltung der Makromoleküle und derer Aggregate zulassen. Bislang sind gerade größere Foldamerstrukturen definierter Größe und Form meist schwer darstellbar und eine strukturelle Modifizierbarkeit nicht ohne weiteres möglich. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die hohe Effizienz der seit 2002 bekannten Kupfer(I)-katalysierten 1,3-dipolaren Azid-Alkin-Cycloaddition, kurz “Klick“-Reaktion genannt, verwendet werden kann, um neuartige heteroaromatische Gerüste für die Konstruktion von diversen (makromolekularen) Strukturen zu generieren. Hierbei wird der bei der Reaktion entstehende Triazol-Ring gezielt als funktionale und strukturgebende Einheit genutzt. Zunächst wurden auf einfache und hochmodulare Weise 2,6-Bis(1-aryl-1,2,3-triazol-4-yl)pyridine (BTPs) dargestellt, die in einer hufeisenförmigen, planaren Konformation vorliegen und sich daher als helikogene Einheiten für die Konstruktion von helikalen aromatischen Foldameren eignen. Zudem stellen die BTP-Strukturen eine neue Klasse von pyridinzentrierten, tridentaten Liganden dar. Sie koordinieren an eine Vielzahl von Übergangsmetallionen unter Ausbildung von Metallkomplexen, die über interessante magnetische und lumineszierende Eigenschaften verfügen. Durch die Koordination, aber auch bei Protonierung, lassen sich die BTP-Gerüste von der gebeugten anti-anti-Konformation in eine gestreckte syn-syn-Konformation schalten. Dies wurde in Lösung, im kristallinen Festkörper und an der Flüssig-Fest-Grenzfläche zu Graphit untersucht. Über Selbstorganisation großflächig ausgebildete hochgeordnete BTP-Monoschichten an der Graphitoberfläche lassen sich mit Hilfe der Rastertunnel-Mikroskopie visualisieren und durch oben genannte externe Stimuli umstrukturieren. Eine neue Klasse von (BTP-basierten) responsiven heteroaromatischen oligomeren und polymeren Foldameren wurde mit Hilfe der „Klick“-Reaktion generiert. Die Oligomeren, sogenannte ”Klickamere“, mit einer Länge von 17 aromatischen Ringen zeigen in polaren Lösungsmitteln ein ausgeprägtes helikales Faltungsverhalten. Ein aus 17 aromatischen Ringen bestehender Foldamerstrang ist gegenüber Chloridionen responsiv, wobei es durch die Wechselwirkung mit diesem achiralen Stimulus bemerkenswerter Weise zu einer Helixinversion kommt. Die entsprechenden responsiven Polymere falten in eine stabile helikale Konformation, die bei Zugabe von Metallionen aufbricht und zu der Bildung von koordinativ kreuzverlinkten, stark viskosen Gelen führt. / One approach to develop novel functional materials is based on the synthesis of macromolecules with characteristic properties, in particular foldamers. However, preparation and structural variation of macromolecules of controllable size and specific shape are often cumbersome and versatile synthetic routes are still needed. In this dissertation, the high efficiency of the so called “click”-reaction, i.e. the Cu(I)-catalyzed Huisgen-type 1,3-dipolar cycloaddition, has been used to design a novel class of heteroaromatic (macromolecular) scaffolds. In these structures the formed triazole moieties constitute an essential integral part rather than a mere connecting unit. In a first step, structurally varying 2,6-Bis(1-aryl-1,2,3-triazolyl-4-yl)pyridines (BTPs) have been generated in an easy and modular way. The BTP scaffold adopts a kinked conformation and therefore functions as helicogenic building block for the construction of helical foldamers. Additionally, the BTP framework is responsive towards protonation and transition metal ion complexation, thereby undergoing a significant structural change from the kinked anti-anti into the extended syn-syn conformation. The conformational switching has been investigated in solution and in the solid state but can also be visualized at the liquid-solid interface on graphite by STM imaging. The BTPs represent a novel class of pyridine-centered, tridentate ligands, which form complexes with interesting magnetic and luminescent properties by the coordination to numerous transition metal ions. Varying heteroaromatic oligomeric and polymeric foldamers with remarkable properties have been generated using the “click”-reaction as synthesis tool. The BTP building blocks, which have (partly) been integrated into the backbones, support the stability of the helical conformation and provide responsiveness towards external stimuli. Three oligomer series of different length have been synthesized and analyzed. Oligomers consisting of 17 aromatic rings, termed clickamers, fold into a helical conformation in polar solvents. One of the three clickamers shows an unexpected phenomenon of helix inversion upon interaction with chloride ions as an achiral stimulus. The corresponding polymeric strands fold into an even more stable helical conformation, which breaks up upon exposure to transition metal ions leading to coordinatively crosslinked, highly viscous gels.

This work entails efforts to understand effects of solvent choice on paracetamol crystallization. Various techniques have been developed and implemented to study aforementioned. A clear-cut, direct evidence of two-step nucleation mechanism is demonstrated using a bench top Raman spectrometer and a novel method named as OSANO. / Polymorphismus ist die Eigenschaft vieler anorganischer und insbesondere organischer Moleküle, in mehr als einer Struktur zu kristallisieren. Es ist wichtig, die Faktoren zu verstehen, die den Polymorphismus beeinflussen, da er viele physikochemische Eigenschaften wie Stabilität und Löslichkeit beeinflusst. Nahezu 80 % der vermarkteten Medikamente weisen Polymorphismus auf. In dieser Arbeit wurde der Einfluss der Wahl des organischen Lösungsmittels auf den Polymorphismus von Paracetamol untersucht und verschiedene Methoden entwickelt und angewandt, um den Einfluss genauer zu verstehen. Es wurde festgestellt, dass Ethanol viel stärker auf Paracetamol-Kristallisation als Methanol wirkt. Nichtgleichgewichts-Molekulardynamiksimulationen mit periodischer, simulierter Abkühlung (Simulated Annealing) wurden verwendet, um Vorläufer der metastabilen Zwischenprodukte im Kristallisationsprozess zu untersuchen. Es wurde festgestellt, dass die Strukturen der Bausteine der Paracetamol-Kristalle durch geometrische Wechselwirkungen zwischen Lösungsmittel und Paracetamol bestimmt werden. Die statistisch häufigsten Bausteine in der Selbstassemblierung definieren die finale Kristallstruktur. Ein speziell angefertigter akustischer Levitator hat die Proben zuverlässig gehalten, wodurch die Untersuchung des Einflusses von Lösungsmitteln ermöglicht, heterogene Keimbildung abgeschwächt und andere Umgebungsfaktoren stabilisiert wurden. Die Kristallisation wurde in diesem Aufbau mit zeitaufgelöster In-situ-Raman-Spektroskopie verfolgt und mit einer neuen Zielfunktion basierenden Methode der nichtnegativen Matrixfaktorisierung (NMF) analysiert. Orthogonale Zeitrafferfotografie wurde in Verbindung mit NMF verwendet, um eindeutige und genaue Faktoren zu erhalten, die sich auf die Spektren und Konzentrationen verschiedener Anteile der Paracetamol-Kristallisation beziehen, die als latente Komponenten in den unbehandelten Daten vorhanden sind. / Polymorphism is the property exhibited by many inorganic and organic molecules to crystallize in more than one crystal structure. There is a strong need for understanding the influencing factors on polymorphism, as it is responsible for differences in many physicochemical properties such as stability and solubility. Nearly 80 % of marketed drugs exhibit polymorphism. In this work, we took the model system of paracetamol to investigate the influence of solvent choice on its polymorphism. Different methods were developed and employed to understand the influence of small organic solvents on the crystallization of paracetamol. Non-equilibrium molecular dynamics simulations with periodic simulated annealing were used as a tool to probe the nature of precursors of the metastable intermediates occurring in the crystallization process. Using this method, it was found that the structures of the building blocks of crystals of paracetamol is governed by solvent-solute interactions. In situ Raman spectroscopy was used with a custom-made acoustic levitator to follow crystallization. This set-up is a reliable method for investigating solvent influence, attenuating heterogeneous nucleation and stabilizing other environmental factors. It was established that as a solvent, ethanol is much stronger than methanol in its effect of driving paracetamol solutions to their crystal form. The time-resolved Raman spectroscopy crystallization data was processed using a newly developed objective function based non-negative matrix factorization method (NMF). An orthogonal time-lapse photography was used in conjunction with NMF to get unique and accurate factors that pertain to the spectra and concentrations of different moieties of paracetamol crystallization existing as latent components in the untreated data.

Selbstorganisierte InAs Nanostrukturen in InP, wie Quantendrähte, Quantenpunkte, und Quantengräben als Referenz, werden bezüglich ihres Wachstums, ihrer Struktur, optischen Eigenschaften und Transporteigenschaften untersucht. Das Stranski-Krastanov Wachstum der Nanostrukturen auf exakt orientiertem und vizinalem InP(001) wird mittels Gasquellen-Molekularstrahlepitaxie untersucht. Ich zeige, dass die Missorientierung des vizinalen InP, weitestgehend unabhängig von den Wachstumsparametern, den Nanostrukturtyp definiert. Optische Polarisation der Interbandübergänge (im 1.55 Mikrometer Bereich) aufgrund des Nanostrukturtyps wird mittels Photolumineszenz- und Transmissionsspektroskopie wird nachgewiesen. Die experimentell unaufwändige 4-Kontakt van der Pauw Hall Messung wird erweitert, um anisotrope Transporteigenschaften zu bestimmen. Der Ladungstägertransport in einer Schicht dicht gepackter, lateral gekoppelter InAs Nanostrukturen ist stark anisotrop mit der Hochbeweglichkeitsrichtung [-110], was parallel zur Richtung der Quantendrähte ist. Die maximalen Anisotropien übersteigen 30 für Elektronen und 100 für Löcher. Die extreme Anisotropie im Falle der Löcher basiert auf diffusem Transport in der [-110], und Hoppingtransport in der [110] direction. Die Elektronenbeweglichkeit bei niedrigen Temperaturen wird duch Grenzflächenrauhigkeitsstreuung in der [110] direction, und Streuung an entfernten Störstellen in der [-110] dominiert. Im Kontext gekoppelter Nanostrukturen, zeige ich, dass die Transportanisotropie auf anisotroper Tunnelkopplung zwischen benachbarten Nanostrukturen beruht, und weniger durch die Form der Nanostruktur bestimmt wird. Transport im Quanten-Hall Regime, und die Schwache Lokalisierung werden untersucht. Ein neuartiges Baulelement basierend auf Gate-konrollierter Transportanisotropie wird vorgeschlagen. Es wird gezeigt, dass modulationsdotierte InAs Quantendrähte für eine Implementierung des Bauelements geeignet sind. / Self-assembled InAs nanostructures in InP, comprising quantum wires, quantum dots, and quantum wells as reference, are studied in terms of their formation, structural properties, optical properties, and anisotropic transport properties. The Stranski-Krastanov growth of InAs nanostructures is studied by gas-source molecular beam epitaxy on both nominally oriented and vicinal InP(001). I demonstrate that the off-cut direction of vicinal substrates - largely independent of growth conditions - determines the nanostructure type. Optical polarization of the interband transitions (in the 1.55 micron wavelength range) arising from the nanostructure type is demonstrated by photoluminescence and transmission spectroscopy. The experimentally convenient four-contact van der Pauw Hall measurement is extended to yield the anisotropic transport properties. The in-plane transport in large ensembles of closely spaced, laterally coupled InAs nanostructures is highly anisotropic with the high-mobility direction [-110], which is parallel to the direction of the quantum wires. The maximum anisotropies exceed 30 for electrons, and 100 for holes. The extreme anisotropy for holes is due to diffusive transport in the [-110], and hopping transport in the [110] direction. The principal electron mobilities at low temperature are dominated by interface roughness scattering in the [110] direction, and by remote impurity scattering in the [-110] direction. In the context of coupled nanostructure, I demonstrate that the transport anisotropy results from directionally anisotropic tunnel coupling between adjacent nanostructures rather than from the nanostructure shape anisotropy. The Quantum-Hall regime, and the weak-localization contribution to conductivity is studied. A novel 5-terminal electronic switching device based on gate-controlled transport anisotropy is proposed. Modulation-doped InAs/InP quantum wires are demonstrated to be a candidate for implementation of the device.

This thesis addresses the development of materials, technologies and circuits applied for the fabrication of a new class of microelectronic devices that are relying on a three-dimensional shape variation namely shapeable microelectronics. Shapeable microelectronics has a far-reachable future in foreseeable applications that are dealing with arbitrarily shaped geometries, revolutionizing the field of neuronal implants and interfaces, mechanical prosthetics and regenerative medicine in general. Shapeable microelectronics can deterministically interface and stimulate delicate biological tissue mechanically or electrically. Applied in flexible and printable devices shapeable microelectronics can provide novel functionalities with unmatched mechanical and electrical performance. For the purpose of shapeable microelectronics, novel materials based on metallic multilayers, photopatternable organic and metal-organic polymers were synthesized. Achieved polymeric platform, being mechanically adaptable, provides possibility of a gentle automatic attachment and subsequent release of active micro-scale devices. Equipped with integrated electronic the platform provides an interface to the neural tissue, confining neural fibers and, if necessary, guiding the regeneration of the tissue with a minimal impact. The self-assembly capability of the platform enables the high yield manufacture of three-dimensionally shaped devices that are relying on geometry/stress dependent physical effects that are evolving in magnetic materials including magentostriction and shape anisotropy. Developed arrays of giant magnetoimpedance sensors and cuff implants provide a possibility to address physiological processes locally or distantly via magnetic and electric fields that are generated deep inside the organism, providing unique real time health monitoring capabilities. Fabricated on a large scale shapeable magnetosensory systems and nanostructured materials demonstrate outstanding mechanical and electrical performance. The novel, shapeable form of electronics can revolutionize the field of mechanical prosthetics, wearable devices, medical aids and commercial devices by adding novel sensory functionalities, increasing their capabilities, reducing size and power consumption.

Cilia and flagella are hair-like appendages of eukaryotic cells. They are actively bending structures that exhibit regular beat patterns and thereby play an important role in many different circumstances where motion on a cellular level is required. Most dramatic is the effect of nodal cilia whose vortical motion leads to a fluid flow that is directly responsible for establishing the left-right axis during embryological development in many vertebrate species, but examples range from the propulsion of single cells, such as the swimming of sperm, to the transport of mucus along epithelial cells, e.g. in the ciliated trachea. Cilia and flagella contain an evolutionary highly conserved structure called the axoneme, whose characteristic architecture is based on a cylindrical arrangement of elastic filaments (microtubules). In the presence of a chemical fuel (ATP), molecular motors (dynein) exert shear forces between neighbouring microtubules, leading to a bending of the axoneme through structural constraints. We address the following two questions: How can these organelles generate regular oscillatory beat patterns in the absence of a biochemical signal regulating the activity of the force generating elements? And how can the beat patterns be so different for apparently very similar structures? We present a theoretical description of the axonemal structure as an actively bending elastic cylinder, and show that in such a system bending waves emerge from a non-oscillatory state via a dynamic instability. The corresponding beat patterns are solutions to a set of coupled partial differential equations presented herein.

Cilia and flagella are hair-like appendages of eukaryotic cells. They are actively bending structures that exhibit regular beat patterns and thereby play an important role in many different circumstances where motion on a cellular level is required. Most dramatic is the effect of nodal cilia whose vortical motion leads to a fluid flow that is directly responsible for establishing the left-right axis during embryological development in many vertebrate species, but examples range from the propulsion of single cells, such as the swimming of sperm, to the transport of mucus along epithelial cells, e.g. in the ciliated trachea. Cilia and flagella contain an evolutionary highly conserved structure called the axoneme, whose characteristic architecture is based on a cylindrical arrangement of elastic filaments (microtubules). In the presence of a chemical fuel (ATP), molecular motors (dynein) exert shear forces between neighbouring microtubules, leading to a bending of the axoneme through structural constraints. We address the following two questions: How can these organelles generate regular oscillatory beat patterns in the absence of a biochemical signal regulating the activity of the force generating elements? And how can the beat patterns be so different for apparently very similar structures? We present a theoretical description of the axonemal structure as an actively bending elastic cylinder, and show that in such a system bending waves emerge from a non-oscillatory state via a dynamic instability. The corresponding beat patterns are solutions to a set of coupled partial differential equations presented herein.

The present habilitation thesis in theoretical biological physics addresses two central dynamical processes in cells and organisms: (i) active motility and motility control and (ii) self-organized pattern formation. The unifying theme is the nonlinear dynamics of biological function and its robustness in the presence of strong fluctuations, structural variations, and external perturbations. We theoretically investigate motility control at the cellular scale, using cilia and flagella as ideal model system. Cilia and flagella are highly conserved slender cell appendages that exhibit spontaneous bending waves. This flagellar beat represents a prime example of a chemo-mechanical oscillator, which is driven by the collective dynamics of molecular motors inside the flagellar axoneme. We study the nonlinear dynamics of flagellar swimming, steering, and synchronization, which encompasses shape control of the flagellar beat by chemical signals and mechanical forces. Mechanical forces can synchronize collections of flagella to beat at a common frequency, despite active motor noise that tends to randomize flagellar synchrony. In Chapter 2, we present a new physical mechanism for flagellar synchronization by mechanical self-stabilization that applies to free-swimming flagellated cells. This new mechanism is independent of direct hydrodynamic interactions between flagella. Comparison with experimental data provided by experimental collaboration partners in the laboratory of J. Howard (Yale, New Haven) confirmed our new mechanism in the model organism of the unicellular green alga Chlamydomonas. Further, we characterize the beating flagellum as a noisy oscillator. Using a minimal model of collective motor dynamics, we argue that measured non-equilibrium fluctuations of the flagellar beat result from stochastic motor dynamics at the molecular scale. Noise and mechanical coupling are antagonists for flagellar synchronization. In addition to the control of the flagellar beat by mechanical forces, we study the control of the flagellar beat by chemical signals in the context of sperm chemotaxis. We characterize a fundamental paradigm for navigation in external concentration gradients that relies on active swimming along helical paths. In this helical chemotaxis, the direction of a spatial concentration gradient becomes encoded in the phase of an oscillatory chemical signal. Helical chemotaxis represents a distinct gradient-sensing strategy, which is different from bacterial chemotaxis. Helical chemotaxis is employed, for example, by sperm cells from marine invertebrates with external fertilization. We present a theory of sensorimotor control, which combines hydrodynamic simulations of chiral flagellar swimming with a dynamic regulation of flagellar beat shape in response to chemical signals perceived by the cell. Our theory is compared to three-dimensional tracking experiments of sperm chemotaxis performed by the laboratory of U. B. Kaupp (CAESAR, Bonn). In addition to motility control, we investigate in Chapter 3 self-organized pattern formation in two selected biological systems at the cell and organism scale, respectively. On the cellular scale, we present a minimal physical mechanism for the spontaneous self-assembly of periodic cytoskeletal patterns, as observed in myofibrils in striated muscle cells. This minimal mechanism relies on the interplay of a passive coarsening process of crosslinked actin clusters and active cytoskeletal forces. This mechanism of cytoskeletal pattern formation exemplifies how local interactions can generate large-scale spatial order in active systems. On the organism scale, we present an extension of Turing’s framework for self-organized pattern formation that is capable of a proportionate scaling of steady-state patterns with system size. This new mechanism does not require any pre-pattering clues and can restore proportional patterns in regeneration scenarios. We analytically derive the hierarchy of steady-state patterns and analyze their stability and basins of attraction. We demonstrate that this scaling mechanism is structurally robust. Applications to the growth and regeneration dynamics in flatworms are discussed (experiments by J. Rink, MPI CBG, Dresden). / Das Thema der vorliegenden Habilitationsschrift in Theoretischer Biologischer Physik ist die nichtlineare Dynamik funktionaler biologischer Systeme und deren Robustheit gegenüber Fluktuationen und äußeren Störungen. Wir entwickeln hierzu theoretische Beschreibungen für zwei grundlegende biologische Prozesse: (i) die zell-autonome Kontrolle aktiver Bewegung, sowie (ii) selbstorganisierte Musterbildung in Zellen und Organismen. In Kapitel 2, untersuchen wir Bewegungskontrolle auf zellulärer Ebene am Modelsystem von Zilien und Geißeln. Spontane Biegewellen dieser dünnen Zellfortsätze ermöglichen es eukaryotischen Zellen, in einer Flüssigkeit zu schwimmen. Wir beschreiben einen neuen physikalischen Mechanismus für die Synchronisation zweier schlagender Geißeln, unabhängig von direkten hydrodynamischen Wechselwirkungen. Der Vergleich mit experimentellen Daten, zur Verfügung gestellt von unseren experimentellen Kooperationspartnern im Labor von J. Howard (Yale, New Haven), bestätigt diesen neuen Mechanismus im Modellorganismus der einzelligen Grünalge Chlamydomonas. Der Gegenspieler dieser Synchronisation durch mechanische Kopplung sind Fluktuationen. Wir bestimmen erstmals Nichtgleichgewichts-Fluktuationen des Geißel-Schlags direkt, wofür wir eine neue Analyse-Methode der Grenzzykel-Rekonstruktion entwickeln. Die von uns gemessenen Fluktuationen entstehen mutmaßlich durch die stochastische Dynamik molekularen Motoren im Innern der Geißeln, welche auch den Geißelschlag antreiben. Um die statistische Physik dieser Nichtgleichgewichts-Fluktuationen zu verstehen, entwickeln wir eine analytische Theorie der Fluktuationen in einem minimalen Modell kollektiver Motor-Dynamik. Zusätzlich zur Regulation des Geißelschlags durch mechanische Kräfte untersuchen wir dessen Regulation durch chemische Signale am Modell der Chemotaxis von Spermien-Zellen. Dabei charakterisieren wir einen grundlegenden Mechanismus für die Navigation in externen Konzentrationsgradienten. Dieser Mechanismus beruht auf dem aktiven Schwimmen entlang von Spiralbahnen, wodurch ein räumlicher Konzentrationsgradient in der Phase eines oszillierenden chemischen Signals kodiert wird. Dieser Chemotaxis-Mechanismus unterscheidet sich grundlegend vom bekannten Chemotaxis-Mechanismus von Bakterien. Wir entwickeln eine Theorie der senso-motorischen Steuerung des Geißelschlags während der Spermien-Chemotaxis. Vorhersagen dieser Theorie werden durch Experimente der Gruppe von U.B. Kaupp (CAESAR, Bonn) quantitativ bestätigt. In Kapitel 3, untersuchen wir selbstorganisierte Strukturbildung in zwei ausgewählten biologischen Systemen. Auf zellulärer Ebene schlagen wir einen einfachen physikalischen Mechanismus vor für die spontane Selbstorganisation von periodischen Zellskelett-Strukturen, wie sie sich z.B. in den Myofibrillen gestreifter Muskelzellen finden. Dieser Mechanismus zeigt exemplarisch auf, wie allein durch lokale Wechselwirkungen räumliche Ordnung auf größeren Längenskalen in einem Nichtgleichgewichtssystem entstehen kann. Auf der Ebene des Organismus stellen wir eine Erweiterung der Turingschen Theorie für selbstorganisierte Musterbildung vor. Wir beschreiben eine neue Klasse von Musterbildungssystemen, welche selbst-organisierte Muster erzeugt, die mit der Systemgröße skalieren. Dieser neue Mechanismus erfordert weder eine vorgegebene Kompartimentalisierung des Systems noch spezielle Randbedingungen. Insbesondere kann dieser Mechanismus proportionale Muster wiederherstellen, wenn Teile des Systems amputiert werden. Wir bestimmen analytisch die Hierarchie aller stationären Muster und analysieren deren Stabilität und Einzugsgebiete. Damit können wir zeigen, dass dieser Skalierungs-Mechanismus strukturell robust ist bezüglich Variationen von Parametern und sogar funktionalen Beziehungen zwischen dynamischen Variablen. Zusammen mit Kollaborationspartnern im Labor von J. Rink (MPI CBG, Dresden) diskutieren wir Anwendungen auf das Wachstum von Plattwürmern und deren Regeneration in Amputations-Experimenten.

The present habilitation thesis in theoretical biological physics addresses two central dynamical processes in cells and organisms: (i) active motility and motility control and (ii) self-organized pattern formation. The unifying theme is the nonlinear dynamics of biological function and its robustness in the presence of strong fluctuations, structural variations, and external perturbations. We theoretically investigate motility control at the cellular scale, using cilia and flagella as ideal model system. Cilia and flagella are highly conserved slender cell appendages that exhibit spontaneous bending waves. This flagellar beat represents a prime example of a chemo-mechanical oscillator, which is driven by the collective dynamics of molecular motors inside the flagellar axoneme. We study the nonlinear dynamics of flagellar swimming, steering, and synchronization, which encompasses shape control of the flagellar beat by chemical signals and mechanical forces. Mechanical forces can synchronize collections of flagella to beat at a common frequency, despite active motor noise that tends to randomize flagellar synchrony. In Chapter 2, we present a new physical mechanism for flagellar synchronization by mechanical self-stabilization that applies to free-swimming flagellated cells. This new mechanism is independent of direct hydrodynamic interactions between flagella. Comparison with experimental data provided by experimental collaboration partners in the laboratory of J. Howard (Yale, New Haven) confirmed our new mechanism in the model organism of the unicellular green alga Chlamydomonas. Further, we characterize the beating flagellum as a noisy oscillator. Using a minimal model of collective motor dynamics, we argue that measured non-equilibrium fluctuations of the flagellar beat result from stochastic motor dynamics at the molecular scale. Noise and mechanical coupling are antagonists for flagellar synchronization. In addition to the control of the flagellar beat by mechanical forces, we study the control of the flagellar beat by chemical signals in the context of sperm chemotaxis. We characterize a fundamental paradigm for navigation in external concentration gradients that relies on active swimming along helical paths. In this helical chemotaxis, the direction of a spatial concentration gradient becomes encoded in the phase of an oscillatory chemical signal. Helical chemotaxis represents a distinct gradient-sensing strategy, which is different from bacterial chemotaxis. Helical chemotaxis is employed, for example, by sperm cells from marine invertebrates with external fertilization. We present a theory of sensorimotor control, which combines hydrodynamic simulations of chiral flagellar swimming with a dynamic regulation of flagellar beat shape in response to chemical signals perceived by the cell. Our theory is compared to three-dimensional tracking experiments of sperm chemotaxis performed by the laboratory of U. B. Kaupp (CAESAR, Bonn). In addition to motility control, we investigate in Chapter 3 self-organized pattern formation in two selected biological systems at the cell and organism scale, respectively. On the cellular scale, we present a minimal physical mechanism for the spontaneous self-assembly of periodic cytoskeletal patterns, as observed in myofibrils in striated muscle cells. This minimal mechanism relies on the interplay of a passive coarsening process of crosslinked actin clusters and active cytoskeletal forces. This mechanism of cytoskeletal pattern formation exemplifies how local interactions can generate large-scale spatial order in active systems. On the organism scale, we present an extension of Turing’s framework for self-organized pattern formation that is capable of a proportionate scaling of steady-state patterns with system size. This new mechanism does not require any pre-pattering clues and can restore proportional patterns in regeneration scenarios. We analytically derive the hierarchy of steady-state patterns and analyze their stability and basins of attraction. We demonstrate that this scaling mechanism is structurally robust. Applications to the growth and regeneration dynamics in flatworms are discussed (experiments by J. Rink, MPI CBG, Dresden).:1 Introduction 10 1.1 Overview of the thesis 10 1.2 What is biological physics? 12 1.3 Nonlinear dynamics and control 14 1.3.1 Mechanisms of cell motility 16 1.3.2 Self-organized pattern formation in cells and tissues 28 1.4 Fluctuations and biological robustness 34 1.4.1 Sources of fluctuations in biological systems 34 1.4.2 Example of stochastic dynamics: synchronization of noisy oscillators 36 1.4.3 Cellular navigation strategies reveal adaptation to noise 39 2 Selected publications: Cell motility and motility control 56 2.1 “Flagellar synchronization independent of hydrodynamic interactions” 56 2.2 “Cell body rocking is a dominant mechanism for flagellar synchronization” 57 2.3 “Active phase and amplitude fluctuations of the flagellar beat” 58 2.4 “Sperm navigation in 3D chemoattractant landscapes” 59 3 Selected publications: Self-organized pattern formation in cells and tissues 60 3.1 “Sarcomeric pattern formation by actin cluster coalescence” 60 3.2 “Scaling and regeneration of self-organized patterns” 61 4 Contribution of the author in collaborative publications 62 5 Eidesstattliche Versicherung 64 6 Appendix: Reprints of publications 66 / Das Thema der vorliegenden Habilitationsschrift in Theoretischer Biologischer Physik ist die nichtlineare Dynamik funktionaler biologischer Systeme und deren Robustheit gegenüber Fluktuationen und äußeren Störungen. Wir entwickeln hierzu theoretische Beschreibungen für zwei grundlegende biologische Prozesse: (i) die zell-autonome Kontrolle aktiver Bewegung, sowie (ii) selbstorganisierte Musterbildung in Zellen und Organismen. In Kapitel 2, untersuchen wir Bewegungskontrolle auf zellulärer Ebene am Modelsystem von Zilien und Geißeln. Spontane Biegewellen dieser dünnen Zellfortsätze ermöglichen es eukaryotischen Zellen, in einer Flüssigkeit zu schwimmen. Wir beschreiben einen neuen physikalischen Mechanismus für die Synchronisation zweier schlagender Geißeln, unabhängig von direkten hydrodynamischen Wechselwirkungen. Der Vergleich mit experimentellen Daten, zur Verfügung gestellt von unseren experimentellen Kooperationspartnern im Labor von J. Howard (Yale, New Haven), bestätigt diesen neuen Mechanismus im Modellorganismus der einzelligen Grünalge Chlamydomonas. Der Gegenspieler dieser Synchronisation durch mechanische Kopplung sind Fluktuationen. Wir bestimmen erstmals Nichtgleichgewichts-Fluktuationen des Geißel-Schlags direkt, wofür wir eine neue Analyse-Methode der Grenzzykel-Rekonstruktion entwickeln. Die von uns gemessenen Fluktuationen entstehen mutmaßlich durch die stochastische Dynamik molekularen Motoren im Innern der Geißeln, welche auch den Geißelschlag antreiben. Um die statistische Physik dieser Nichtgleichgewichts-Fluktuationen zu verstehen, entwickeln wir eine analytische Theorie der Fluktuationen in einem minimalen Modell kollektiver Motor-Dynamik. Zusätzlich zur Regulation des Geißelschlags durch mechanische Kräfte untersuchen wir dessen Regulation durch chemische Signale am Modell der Chemotaxis von Spermien-Zellen. Dabei charakterisieren wir einen grundlegenden Mechanismus für die Navigation in externen Konzentrationsgradienten. Dieser Mechanismus beruht auf dem aktiven Schwimmen entlang von Spiralbahnen, wodurch ein räumlicher Konzentrationsgradient in der Phase eines oszillierenden chemischen Signals kodiert wird. Dieser Chemotaxis-Mechanismus unterscheidet sich grundlegend vom bekannten Chemotaxis-Mechanismus von Bakterien. Wir entwickeln eine Theorie der senso-motorischen Steuerung des Geißelschlags während der Spermien-Chemotaxis. Vorhersagen dieser Theorie werden durch Experimente der Gruppe von U.B. Kaupp (CAESAR, Bonn) quantitativ bestätigt. In Kapitel 3, untersuchen wir selbstorganisierte Strukturbildung in zwei ausgewählten biologischen Systemen. Auf zellulärer Ebene schlagen wir einen einfachen physikalischen Mechanismus vor für die spontane Selbstorganisation von periodischen Zellskelett-Strukturen, wie sie sich z.B. in den Myofibrillen gestreifter Muskelzellen finden. Dieser Mechanismus zeigt exemplarisch auf, wie allein durch lokale Wechselwirkungen räumliche Ordnung auf größeren Längenskalen in einem Nichtgleichgewichtssystem entstehen kann. Auf der Ebene des Organismus stellen wir eine Erweiterung der Turingschen Theorie für selbstorganisierte Musterbildung vor. Wir beschreiben eine neue Klasse von Musterbildungssystemen, welche selbst-organisierte Muster erzeugt, die mit der Systemgröße skalieren. Dieser neue Mechanismus erfordert weder eine vorgegebene Kompartimentalisierung des Systems noch spezielle Randbedingungen. Insbesondere kann dieser Mechanismus proportionale Muster wiederherstellen, wenn Teile des Systems amputiert werden. Wir bestimmen analytisch die Hierarchie aller stationären Muster und analysieren deren Stabilität und Einzugsgebiete. Damit können wir zeigen, dass dieser Skalierungs-Mechanismus strukturell robust ist bezüglich Variationen von Parametern und sogar funktionalen Beziehungen zwischen dynamischen Variablen. Zusammen mit Kollaborationspartnern im Labor von J. Rink (MPI CBG, Dresden) diskutieren wir Anwendungen auf das Wachstum von Plattwürmern und deren Regeneration in Amputations-Experimenten.:1 Introduction 10 1.1 Overview of the thesis 10 1.2 What is biological physics? 12 1.3 Nonlinear dynamics and control 14 1.3.1 Mechanisms of cell motility 16 1.3.2 Self-organized pattern formation in cells and tissues 28 1.4 Fluctuations and biological robustness 34 1.4.1 Sources of fluctuations in biological systems 34 1.4.2 Example of stochastic dynamics: synchronization of noisy oscillators 36 1.4.3 Cellular navigation strategies reveal adaptation to noise 39 2 Selected publications: Cell motility and motility control 56 2.1 “Flagellar synchronization independent of hydrodynamic interactions” 56 2.2 “Cell body rocking is a dominant mechanism for flagellar synchronization” 57 2.3 “Active phase and amplitude fluctuations of the flagellar beat” 58 2.4 “Sperm navigation in 3D chemoattractant landscapes” 59 3 Selected publications: Self-organized pattern formation in cells and tissues 60 3.1 “Sarcomeric pattern formation by actin cluster coalescence” 60 3.2 “Scaling and regeneration of self-organized patterns” 61 4 Contribution of the author in collaborative publications 62 5 Eidesstattliche Versicherung 64 6 Appendix: Reprints of publications 66