Forscher Konstruieren Erstmals Beliebig 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 jetzt erstmals beliebig minimalistisches Zellmodell verwirklicht haben, das sich selbst von gesamt alleine verformt sowie bewegt.

Wie die Forscher etwa den Biophysiker Prof. Andreas Bausch sowie seinem Team eingeschaltet die Technischen Hochschule München (TUM) aktuell hinein Fachjournal "Science" berichten, entspricht das Modell dem evolutionären Vorfahren unsrer heutigen komplexen Zellen, die sogenannten Urzelle. Im Gegensatz zu den heutigen komplexen Gebilden mit ausgeklügeltem Stoffwechsel, bestand die Urzelle nur aus einer Membran sowie wenigen Molekülen. Zwar war sie beliebig minimalistisches, nichtsdestoweniger bereits perfekt arbeitendes System.

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

Die Vision die Wissenschaftlerin war es, beliebig zellähnliches Modell mit einer biomechanischen Zweck zu erschaffen. Dieses soll sich selbst dann ohne Einfluss von außer von selber aktiv bewegen oder verformen.

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Wie dies jetzt erstmals gelungen ist, beschreiben die Forscher so: "Das Modell setzt sich selbst zusammen aus einer Membranhülle, Zwei verschiedenen Sorten von Biomolekülen sowie einer Spezies Kraftstoff. Die Hülle, auch als Vesikel bezeichnet, besteht aus einer zweischichtigen Lipidmembran, analog zu natürlichen Zellmembranen. Die Vesikel auffüllen die Wissenschaftlerin mit Mikrotubuli, einem röhrenförmigen Bestandteil des Zellskelettes, sowie mit Kinesinmolekülen. Kinesine dienen gewöhnlich in die Zelle als molekulare Motoren, die entlang die Mikrotubuli Zellbausteine transportieren. Im Experiment stecken diese Motoren die Röhrchen permanent aneinander entlang. Dafür brauchen Kinesine den Energieträger ATP, die hinein Versuchsansatz ebenfalls vorhanden ist.

Die Mikrotubuli-Röhrchen bilden hinein Experiment physikalisch gesehen genau mitten die Membran einen zweidimensionalen Flüssigkristall, die ständig in Bewegung ist. (...) Man kann sich selbst diese Flüssigkristallschicht darstellen wie Baumstämme, die auf einem Ozean treiben. Wird es zu dicht, klassifizieren sie sich selbst parallel eingeschaltet sowie können doch noch aneinander vorbei treiben."

Entscheidend für die Deformation die künstlichen Zellkonstruktion ist nun, dass die Flüssigkristall schon hinein Ruhezustand in Kugelform stets Fehlstellen bilden muss. Mathematiker erläutern 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 Stellung entsteht, können sich selbst auch die Mikrotubuli nicht komplett gleichmäßig von innerhalb eingeschaltet die Membranwand anlagern. Die Röhrchen stellen sich selbst daher eingeschaltet einige Stellen kalorienarm quer zueinander sowie dies in einer gesamt bestimmten Geometrie. Da sich selbst hinein Sturz des Experiments die Münchner Wissenschaftlerin die Mikrotubuli durch die Aktivität die Kinesinmoleküle zudem ständig aneinander entlang bewegen, wandern auch diese Fehlstellen. Allerdings machen sie dies erstaunlicherweise auf eine sehr gleichmäßige sowie periodische Spezies sowie Weise, oszillierend zwischen Zwei definierten Anordnungen.

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

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Während dieser Vorgänge bilden sich selbst faszinierend viele verschiedene Formen sowie 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 Aufführung die Vesikel zu entschlüsseln sowie auf deren Grundlage Vorhersagen für ungleich Systeme zu treffen.

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

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Quelle: tum.de

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