Untersuchung einfacher Modellzellen

Mechanismen der Verformung geklärt

Lebende Zellen müssen sich aktiv verformen können, sonst könnten sie sich beispielsweise nicht teilen. An der TUM haben der Biophysiker Professor Andreas Bausch und sein Team ein synthetisches Zellmodell entwickelt, um grundlegende Gesetzmäßigkeiten dieser Zellmechanik zu erforschen.

Modell eines zellulären Vesikels

Modell eines zellulären Vesikels mit aktivem Zytoskelett (grün). | Etienne Loiseau / TUM

Eine lebende Zelle hat kein entspanntes Dasein: Ständig muss sie ihre Gestalt anpassen. Wenn sie sich teilt, muss sie ihre gesamte Form massiv umbauen. Wenn sie Stoffe aufnimmt, muss sie ihre äußere Membranhülle stark verformen. Und wenn sie auf Wanderschaft geht, muss sie zunächst einmal entscheiden, wo vorne und wo hinten ist, dann ihre eingebauten molekularen Motoren anwerfen und so die Fortbewegung in Gang setzen.

Zelle muss ihre Form ändern können

Zellen sind lebende Gebilde mit vielen dynamischen Funktionen. Die Fähigkeit einer Zelle, ihre Form zu ändern, ist dabei entscheidend. Bei der Zellteilung spielen diese Prozesse eine wichtige Rolle, bei Wundheilung oder Embryonalentwicklung, aber auch, wenn Krebszellen sich im Körper ausbreiten.

Wie sich eine Zelle spontan mit Hilfe einiger weniger Komponenten verformt, untersuchten Forscher um den Biophysiker Andreas Bausch, Inhaber des Lehrstuhls für Zellbiophysik an der TU München und Mitglied des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich, nun mit einem einfachen Zellmodell genauer. Der Nachbau soll helfen, die Funktionen des komplexen Zellsystems besser zu verstehen.

Modellzelle zur Untersuchung der Zellmechanik

Die Hülle der Modellzelle besteht aus einer zweischichtigen Lipidmembran, ganz analog zu natürlichen Zellmembranen. In dieses Vesikel füllten die Forscher gezielt Biomoleküle, die in Körperzellen wichtige Funktionen haben. Bei ihren Versuchen zur Verformung der Zellen verwendeten sie zum einen längliche Aktin-Filamente, die in Zellen in der Regel Bestandteil des Zellskeletts sind.

Dazu gaben sie das Eiweiß Anilin, das in der Lage ist, die Aktin-Filamente miteinander zu verbinden und für Zellstabilität sorgt, und schließlich noch Myosin als molekularen Motor – denn um ihre Form verändern zu können, müssen die Zellen mit Hilfe solcher Motoren aktiv Kraft zu erzeugen.

Im Versuch beobachteten die Forscher, unter welchen Bedingungen sich die Modellzellen spontan verformen, die Zellskelett-Membran sich also entweder nach innen stülpt oder aber in bestimmten Bereichen eine Art Blase bildet, das so genannte Blebbing. Die Kräfte, die die äußere Form der Zelle verändern, wirken jeweils gegen die Lipidmembran.

„Das Zusammenspiel von Zellskelett und Membran ist der Schlüssel für alle Formveränderungen“, sagt Etienne Loiseau aus der Arbeitsgruppe Bausch und Erstautor der aktuellen Studie. „Bisher wurden Zytoskelett und Vesikel meist getrennt beobachtet, die Interaktionen dieser beiden essentiellen Komponenten konnte kaum untersucht werden.“

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