Künstliche Zelle kann sich von selbst bewegen

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Münchner Wissenschaftler präsentieren in der Fachzeitschrift Science ihre Errungenschaften in der künstlichen Zellforschung. Mithilfe eines aktiv beweglichen Zellskelett-Membran-Systems entwickelten sie erstmals eine Zelle, die sich selbst bewegen und verformen kann. Es wird ein wenig kompliziert.

Biophysiker Prof. Andreas Bausch und sein Team an der Technischen Universität München verwirklichten in Zusammenarbeit mit Kollegen der Brandeis University und der Syracuse University aus den USA sowie der International School for Advanced Studies aus Italien das autonome Modell einer Urzelle. Im Gegensatz zu Zellen, den komplexen Systemen mit ausgeklügeltem Stoffwechsel, bestehen Urzellen nur aus einer Membran und wenigen Molekülen. Das minimalistische Gebilde arbeitet dennoch perfekt.

Die Biophysiker kombinierten für ihr zellähnliches Modell mit biomechanischer Funktion eine Membranhülle, zwei Sorten von Biomolekülen und eine Art Kraftstoff. Die Hülle (Vesikel) besteht dabei aus einer zweischichtigen Lipidmembran (Fetthülle), analog zu natürlichen Zellmembranen. Die Hüllen haben die Wissenschaftler wiederum mit Mikrotubuli und Kinesinmolekülen gefüllt – ja, es wird langsam verzwickt. Mikrotubuli sind röhrenförmige Bestandteile des Zellskelettes. Kinesine dienen in der Zelle für gewöhnlich als molekulare Motoren, die Zellbausteine entlang der Mikrotubuli transportieren.

Diese Motoren schieben die Röhrchen im Experiment permanent aneinander entlang, wofür natürlich Energie benötigt wird. Die stammt aus dem Energieträger ATP. Die Mikrotubuli-Röhrchen bilden physikalisch gesehen also 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“, erklärt Felix Keber, Erstautor der Studie. „Wird es zu dicht, ordnen sie sich parallel an und können doch noch aneinander vorbei treiben.“

Wandernde Fehlstellen

Nun gibt es für die Deformation der künstlichen Zellkonstruktion noch einen Grund: Der Flüssigkristall bildet ständig Fehlstellen aus, selbst im Ruhezustand in Kugelform. Mathematiker erklären solche Phänomene mit dem Poincáre-Hopf-Theorem, beziehungsweise dem „Satz des Igels“. So wie man die Stacheln eines Igels nie bürsten kann, ohne dass irgendwo eine kahle Stelle entsteht, können sich auch die Röhrchen (Mikrotubuli) nicht ganz gleichmäßig von Innen an die Membranwand anlagern.

Die Röhrchen stellen sich deshalb an einigen Stellen leicht quer zueinander und zwar in einer ganz bestimmten Geometrie. Im Falle des Experiments bewegen sich die Röhrchen durch die Aktivität der Kinesine, also der molekularen Motoren, ständig aneinander entlang. Auch die Fehlstellen wandern ständig weiter, erstaunlicherweise sogar auf eine sehr gleichmäßige und periodische Art und Weise, oszillierend zwischen zwei definierten Anordnungen.

Auf die äußere Form der Membran haben die Fehlstellen noch keinen Einfluss – zumindest solange die Hülle eine Kugelform bildet. Sobald ihr aber über Osmose Wasser entzogen wird, beginnt sie sich durch die Bewegungen im Inneren zu verformen. Geht der Hülle mehr und mehr Wasser verloren, entstehen aus der überschüssigen Membran sogar stachelförmige Fortsätze. Einzeller benutzen solche zur Fortbewegung.

Diese Fortsätze können viele verschiedene Formen und Dynamiken annehmen, die aber keineswegs dem puren Zufall gehorchen. Vielmehr unterliegen sie physikalischen Gesetzen und so gelang es den internationalen Wissenschaftlern, einige dieser Gesetzmäßigkeiten, wie das periodische Verhalten der Hülle, zu entschlüsseln. Auf deren Basis lassen sich nun Vorhersagen für andere Systeme 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.“

Tags :Quellen:Bild: ShutterstockVia:Brigitte Ziller @ TU München

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