Samstag, 6. September 2014

Forscher konstruieren erstmals ein aktiv bewegliches Zellskelett-Membran-System


Unterschiedlich verformte Vesikel. | Copyright: Christoph Hohmann/nano initiative munich

München (Deutschland) - Notwendig waren nur wenige Zutaten, mit dem Münchner Biophysiker nun erstmals ein minimalistisches Zellmodell verwirklicht haben, das sich von ganz alleine verformt und bewegt.

Wie die Forscher um den Biophysiker Prof. Andreas Bausch und seinem Team an der Technischen Universität München (TUM) aktuell im Fachjournal "Science" berichten, entspricht das Modell dem evolutionären Vorfahren unsrer heutigen komplexen Zellen, der sogenannten Urzelle. Im Gegensatz zu den heutigen komplexen Gebilden mit ausgeklügeltem Stoffwechsel, bestand die Urzelle nur aus einer Membran und wenigen Molekülen. Zwar war sie ein minimalistisches, aber bereits perfekt arbeitendes System.


Ziel des internationalen Forscherteams um Bausch ist es, mit wenigen Grundzutaten ein einfaches Zellmodell mit einer bestimmten Funktion zu schaffen. Damit folgen die Forscher dem Prinzip der "Synthetischen Biologie", die einzelne Zellbausteine zu künstlichen biologischen Systemen mit neuen Eigenschaften zusammenfügt.


Die Vision der Wissenschaftler war es, ein zellähnliches Modell mit einer biomechanischen Funktion zu erschaffen. Dieses soll sich dann ohne Einfluss von außen von selber aktiv bewegen oder verformen.


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Wie dies nun erstmals gelungen ist, beschreiben die Forscher so: "Das Modell setzt sich zusammen aus einer Membranhülle, zwei verschiedenen Sorten von Biomolekülen und einer Art Kraftstoff. Die Hülle, auch als Vesikel bezeichnet, besteht aus einer zweischichtigen Lipidmembran, analog zu natürlichen Zellmembranen. Die Vesikel füllen die Wissenschaftler mit Mikrotubuli, einem röhrenförmigen Bestandteil des Zellskelettes, und mit Kinesinmolekülen. Kinesine dienen gewöhnlich in der Zelle als molekulare Motoren, die entlang der Mikrotubuli Zellbausteine transportieren. Im Experiment schieben diese Motoren die Röhrchen permanent aneinander entlang. Dafür benötigen Kinesine den Energieträger ATP, der im Versuchsansatz ebenfalls vorhanden ist.

Die Mikrotubuli-Röhrchen bilden im Experiment physikalisch gesehen direkt unter der Membran einen zweidimensionalen Flüssigkristall, der ständig in Bewegung ist. (...) Man kann sich diese Flüssigkristallschicht vorstellen wie Baumstämme, die auf einem See treiben. Wird es zu dicht, ordnen sie sich parallel an und können doch noch aneinander vorbei treiben."


Entscheidend für die Deformation der künstlichen Zellkonstruktion ist nun, dass der Flüssigkristall schon im Ruhezustand in Kugelform immer Fehlstellen bilden muss. Mathematiker erklären solche Phänomene mit dem Poincare-Hopf Theorem, oder anschaulich dem "Satz des Igels". Denn so wie man die Stacheln eines Igels nie bürsten kann, ohne dass eine kahle Stelle entsteht, können sich auch die Mikrotubuli nicht komplett gleichmäßig von innen an die Membranwand anlagern. Die Röhrchen stellen sich daher an einige Stellen leicht quer zueinander und dies in einer ganz bestimmten Geometrie. Da sich im Fall des Experiments der Münchner Wissenschaftler die Mikrotubuli durch die Aktivität der Kinesinmoleküle zudem ständig aneinander entlang bewegen, wandern auch diese Fehlstellen. Allerdings tun sie dies erstaunlicherweise auf eine sehr gleichmäßige und periodische Art und Weise, oszillierend zwischen zwei definierten Anordnungen.


Bildet dieser Vesikel also eine Kugelform bildet, haben die Fehlstellen noch keinen Einfluss auf die äußere Form der Membran. Sobald aber ihm über Osmose Wasser entzogen wird, beginnt er sich durch die Bewegungen im Inneren zu verformen. Verliert der Vesikel mehr und mehr Wasser, so entstehen aus der überschüssigen Membran sogar stachelförmige Fortsätze, wie sie einige Einzeller zur Fortbewegung nutzen.


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Während dieser Vorgänge bilden sich faszinierend viele verschiedene Formen und Dynamiken. Was auf den ersten Blick beliebig erscheint, gehorche in Wahrheit physikalischen Gesetzen, so die Forscher, denen es zugleich gelungen ist, einige Gesetzmäßigkeiten wie das periodische Verhalten der Vesikel zu entschlüsseln und auf deren Grundlage Vorhersagen für andere Systeme zu treffen.

"Mit unserem synthetischen biomolekularen Modell haben wir eine ganz neue Möglichkeit geschaffen, um minimale Zellmodelle zu entwickeln", erklärt Bausch. "Es ist ideal geeignet, um modular die Komplexität zu erhöhen und so kontrolliert zelluläre Prozesse, wie Zellmigration oder Zellteilung, nachzubauen. Dass das künstlich geschaffene System vollständig physikalisch beschrieben werden kann, nährt die Hoffnung, dass wir bei den nächsten Schritten auch die physikalischen Gesetzmäßigkeiten der vielfältigen Zellverformungen, entdecken können."


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Quelle: tum.de
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