Chemical reactions make cells work only if the participating chemicals are delivered to desired locations in a timely and precise fashion. While most research to date has focused on the so-called active-transport mechanisms, “passive” diffusion is often equally rapid and is always energetically less costly. Capitalizing on these advantages, cells have developed sophisticated reaction-diffusion (RD) systems that control a wide range of cellular functions – from chemotaxis and cell division, through signaling cascades and oscillations, to cell motility. Despite their apparent diversity, these systems share many common features and are “wired” according to “generic” motifs involving non-linear kinetics, autocatalysis, and feedback loops. Understanding the operation of these complex (bio)chemical systems requires the analysis of pertinent transport-kinetic equations or, at least on a qualitative level, of the characteristic times describing constituent sub-processes. Therefore, in reviewing the manifestations of cellular RD, we also attempt to familiarize the reader with the basic theory of these processes.

Chemische Reaktionen können Zellen nur am Leben erhalten, wenn die beteiligten Verbindungen an den erforderlichen Stellen zeitlich präzise angeliefert werden. Die meisten Forschungen haben sich bislang auf aktive Transportmechanismen konzentriert, obwohl die passive Diffusion oft gleich schnell ist und weniger Energie erfordert. Um die Vorteile dieser Transportform zu nutzen, haben die Zellen ausgeklügelte Reaktions‐Diffusions(RD)‐Systeme entwickelt, die zahlreiche zelluläre Funktionen kontrollieren – von Chemotaxis und Zellteilung über Signalkaskaden und ‐oszillationen bis hin zur Zellbeweglichkeit. Diese nur scheinbar unterschiedlichen Systeme sind nach allgemeinen Prinzipien aufgebaut und haben viele Gemeinsamkeiten. Wiederkehrende Elemente sind nichtlineare Kinetik, Autokatalyse und Rückkopplungsschleifen. Um die Funktion dieser komplexen (bio)chemischen Systeme zu verstehen, muss man die Transportkinetik‐Gleichungen analysieren oder die charakteristischen Zeiten der Teilprozesse zumindest qualitativ betrachten. Während wir Beispiele für zelluläre RD‐Systeme vorstellen, versuchen wir daher auch, den Leser mit den theoretischen Grundlagen der RD‐Phänomene vertraut zu machen.

Thin films of gold on glass are prepared by solution deposition of functionalized gold nanoparticles followed by thermal treatment. The processed films adhere strongly to glass without any adhesion layers and can be micropatterned/microetched without delamination from the substrate. The formation of self-assembled monolayers (SAMs) of oligo(ethylene glycol) alkane thiols (EG SAMs) renders the films resistant to cell adhesion and allows for cell patterning.

Review: cellular reaction‐diffusion systems, prokaryotes, eukaryotes, theory; 294 refs.