Nichtlineare Dynamik

Priv.-Doz. Dr. Gerold Baier, Dr. Ursula Kummer, Sven Sahle

Forschungsschwerpunkt

Enzymatische Reaktionen sind nichtlinear reguliert. Als Folge dieser Regulation können sich die Konzentrationen von Metaboliten und Intermediaten plötzlich ändern (bursts) oder sie können oszillieren und raumzeitliche Muster ausbilden. Die Arbeitsgruppe untersucht solche nichtlinearen Phänomene an In-vitro-Enzymreaktionen, zum Beispiel mit Peroxidasen und Dehydrogenasen. Es werden kinetische Schalter und biochemisches Chaos beobachtet.

Die Verteilung von Metaboliten in Raum und Zeit wird durch Reaktions-Diffusionsmodelle beschrieben. In diesen Modellen finden wir nicht nur selbstorganisierte zeitliche Schwankungen der Konzentrationen, sondern auch periodische und irreguläre Musterbildungen. Die numerische Untersuchung dieser Modelle zeigt, daß solche Muster bei Emzymreaktionen möglich sein sollten. Die Arbeitsgruppe analysiert das Auftreten dieser Muster und schlägt Verfahren zu ihrer gezielten Steuerung vor.

Nichtlineare Phänomene sind in vivo weit verbreitet, insbesondere bei der Dynamik von Second Messengern. Der Schwerpunkt unserer Forschung ist die Frage, wie in den enzymatisch regulierten Konzentrationsschwankungen von Botenstoffen biologisch relevante Information verschlüsselt und wieder decodiert werden kann.

Zusammenarbeit :

John Hudson, Universität von Virginia, USA

Lars Olsen, Universität Odense, Dänemark

Erik Mosekilde, Technische Hochschule von Dänemark

Günther Jung, Universität Tübingen

Otto Rössler, Universität Tübingen

Abhay Bulsari, Abo Akademi, Finnland

Axel Schönbucher, Universität Duisburg

Publikationen

G. Baier,
Nonlinear Chemical Systems (in Deutsch).
Nachr. Chem. Tech. Lab. 42, 604-606 (1994).

G. Baier and S. Sahle,
Hyperchaos and Chaotic Hierarchy in Low-Dimensional Chemical Systems.
J. Chem. Phys. 100, 8907-8911 (1994).

G. Baier, S. Sahle, U. Kummer and R. Brock,
Transition to Higher Chaos in Diffusively Coupled Chemical Oscillators.
Z. Naturforsch. 49a, 835-837 (1994).

M. Klein and G. Baier,
Fractal Features of Invariant Sets in a Three-Dimensional Map.
Chaos, Solitons & Fractals 4, 1889-1905 (1994).

U. Kummer, K. Valeur and G. Baier,
Nonlinear Behavior in the Peroxidase-Oxidase Reaction: a Challenge for Physiologists?
Plant Peroxidase Newsletter 4, 30-34 (1994).

E. Mosekilde, H. Stranddorf, J.S. Thomsen and G. Baier,
A Hierarchy of Complex Behaviors in Microbiological Systems.
In: J.L. Casti and A. Karlqvist (Hrsg.), Cooperation and Conflict in General Evolutionary Processes,
J. Wiley & Sons, New York 1994, S. 165-225.

G. Baier and S. Sahle,
Design of Hyperchaotic Flows.
Phys. Rev. E 51, R2712-R2714 (1995).

G. Baier, P. Strasser and U. Kummer,
Instabilities in a Simple Enzyme Reaction Caused by pH-Dependence.
Z. Naturforsch. 50a, 1147-1150 (1995).

J.-P. Chen, W. Engelmann and G. Baier,
Nonlinear Dynamics in the Ultradian Rhythm of Desmodium motorium.
Z. Naturforsch. 50a, 1113-1116 (1995).

A.A. Hoff, H. Diebner and G. Baier,
Reversible Control of Chemical Reaction Systems.
Z. Naturforsch. 50a, 1141-1146 (1995).

U. Kummer and G. Baier,
Pattern Formation in an Aqueous Iodine/Starch System Caused by Evaporating Cooling or an Enzyme Reaction.
Naturwissenschaften 83, 522-524 (1996).

U. Kummer, K. Valeur, G. Baier, K. Wegmann and L.F. Olsen,
Oscillations in the Peroxidase-Oxidase Reaction: A Comparison of Different Peroxidases.
Biochim. Biophys. Acta 1289, 397-403 (1996).

U. Kummer, K. Wegmann and G. Baier,
A Peroxidase Switch.
In: C. Obinger, U. Burner, R. Ebermann, C. Penel, H. Greppin (eds.), Plant Peroxidases -- Biochemistry and Physiology, Universite de Geneve, Genf (1996), S. 101-105.

P. Strasser, O.E. Rössler and G. Baier,
Hyperchaos and Chemical Turbulence in Enzymatic Reaction-Diffusion Systems.
J. Chem. Phys. 104, 9974-9982 (1996).

G. Baier and S. Sahle,
Spatio-Temporal Patterns with Hyperchaotic Dynamics in Diffusively Coupled Biochemical Oscillators.
Discrete Dynamics in Nature and Society 1, 162-168 (1997).

U. Kummer, M. Hauser, K. Wegmann, L.F. Olsen and G. Baier,
Oscillations and Complex Dynamics in the Peroxidase-Oxidase Reaction Induced by Naturally Occurring Aromatic Substrates.
J. Am. Chem. Soc. 119, 2084-2087 (1997).

Adresse:

Priv.-Doz. Dr. Gerold Baier
Institut für Pflanzenbiochemie
Corrensstr. 41, D-72076 Tübingen

Tel: ++49 7071 29 75338
Fax: ++49 7071 64 00 19

e-mail: gerold.baier@uni-tuebingen.de

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