Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Amöben mit Rhythmus

04.03.2013
Bereits kleinste Veränderungen in der Umgebung können das Zellskelett des Einzellers Dictyostelium discoideum in Schwingung versetzen.

Die Amöbe Dictyostelium discoideum gilt als „Lieblingstier“ vieler Biologen und mancher Physiker: Der normalerweise in der Erde lebende Einzeller ist ein Modellorganismus für unterschiedlichste Zellen, die ihre Form verändern oder sich fortbewegen können, sobald sie chemische Konzentrationsänderungen in ihrer Umgebung erfahren.


Durch äußere chemische Reize gerät das Zytoskelett der Amöbe Dictyostelium discoideum in Bewegung: Im 20-Sekunden-Takt wird das Strukturprotein Aktin im Innern ab- und an der Innenseite der Zellmembran aufgebaut. Im linken Bild befindet sich noch recht viel Aktin (grüne Färbung) im Innern der Zelle. Einige Sekunden später (rechtes Bild) hat sich die Aktinstruktur zum Rand hin verlagert.

Fotos: MPIDS


Ein genauer Blick mit dem Fluoreszenz-Mikroskop auf die Amöbe Dictyostelium discoideum zeigt das Zytoskelett: Ein Geflecht aus Fasern und Röhren durchzieht die Zelle.

Foto: MPIDS

Beispiele sind etwa Krebszellen, embryonale Zellen in einem sehr frühen Entwicklungsstadium oder Zellen in der Wundheilung. Nun verblüfft die Amöbe durch eine faszinierende Eigenschaft: eine innere Schwingung im 20-Sekunden-Takt. Mit dieser Periode kann sich das Zytoskelett, das der Zelle ihre innere Stabilität verleiht, umorganisieren. Physiker vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS) in Göttingen haben im Rahmen des Sonderforschungsbereichs „Kollektives Verhalten weicher und biologischer Materie“ nachgewiesen, dass die Amöbe dadurch auf minimale Reize aus ihrer Umgebung reagiert. Welchen Nutzen die rhythmischen, inneren Umbauarbeiten den Einzellern bieten, ist noch unklar. Vermutlich helfen sie den Zellen sich fortzubewegen.

Die Amöbe Dictyostelium discoideum – oft verkürzend „Dicty“ genannt – ist eine feinfühlige Kreatur: Bereits kleinste Schwankungen in der chemischen Zusammensetzung seiner Umgebung kann der Einzeller wahrnehmen. Besonders in Notlagen zahlt sich diese Fähigkeit aus. Sobald die Amöbe nicht mehr ausreichend mit Nährstoffen versorgt wird, sendet sie chemische Hilferufe an ihre Nachbarn aus: eine kleine Menge des Signalstoffs Cyclisches Adenosinmonophosphat (cAMP). Die Artgenossen registrieren das Signal und leiten es ihrerseits weiter. Dadurch entstehen wie von selbst kreisförmige Spiralwellen von Hilferufen. Diesen Hilferufen folgen die Zellen, kriechen zum Wellenzentrum und ballen sich dort zusammen. Dann bilden die Zellen im Verbund einen Fruchtkörper mit Sporen aus, die so lange erhalten bleiben, bis die Umweltsituation wieder Nahrung bietet. In ihren neuen Experimenten und Rechnungen haben die Göttinger Forscher nun untersucht, was genau im Innern der einzelnen Zelle geschieht, wenn sie den Hilferuf empfängt und ihren inneren „Motor“ anschaltet.

„Dicty ist nicht die einzige Zelle, die auf einen äußeren, chemischen Stimulus reagiert“, erklärt Prof. Dr. Eberhard Bodenschatz, Direktor am MPIDS, die Motivation für die neue Studie. Die Zellen von Embryonen in einem sehr frühen Entwicklungsstadium etwa sind zunächst alle gleich. Ein Mensch oder Tier könnte so daraus nicht entstehen. Erst unterschiedliche Konzentrationen bestimmter Signalstoffe bewirken, dass sich einige der Zellen etwa zu Gehirnzellen, andere zu Muskel- oder Knochenzellen entwickeln – und zwar möglichst an der richtigen Stelle. Ganz ähnlich regen bestimmte chemische Stoffe Zellen zur Wundheilung an.

Eine entscheidende Rolle spielt das Strukturprotein Aktin. Als Geflecht feiner Röhren und Fasern durchzieht es das Innere der Zellen, verstärkt ihre Membran und verleiht so der gesamten Zellstruktur Stabilität – wie eine Art Skelett. Wissenschaftler sprechen vom Zytoskelett. Durch äußere chemische Reize gerät dieses Netzwerk in Bewegung: Im Innern wird Aktin ab-, an der Innenseite der Zellmembran verstärkt aufgebaut.

„In unseren Experimenten haben wir gezielt einzelne Zellen mit einer räumlich und zeitlich scharf begrenzten Konzentrationsänderung von cAMP konfrontiert“, erklärt Christian Westendorf vom MPIDS, der die Versuche durchgeführt hat. Schlüssel zu diesem Kunststück ist der Stoff DMNB-cAMP. „Ein kurzer Laserpuls kann diese Verbindung zerstören und so den Signalstoff cAMP freisetzen“, erklärt Westendorf. Um unterm Mikroskop die anschließende Reaktion der Zelle zu verfolgen, wurde ihr Aktin mit einem Fluoreszenz-Marker versehen.

Erstaunlicherweise zeigten die Aufnahmen, dass nicht alle Amöben gleich reagieren. Während sich das Zytoskelett bei einigen nur einmal nach außen verlagerte und dann wieder den Ausgangszustand annahm, kam es bei anderen zu mehreren Schwingungen. „In einem kleinen Prozentsatz der Zellen schwingt die Aktinstruktur sogar völlig ohne äußeren Reiz“, so Westendorf.

Um diesen Schwingungen nachzugehen, setzten die Forscher die Zellen in einem zweiten Schritt periodischen Stimulationen aus. Dabei zeigte sich bei einer Periode von etwa 20 Sekunden die stärkste Reaktion. „Dies beweist, dass der 20-Sekunden-Rhythmus eine intrinsische Eigenschaft jeder Dicty-Zelle ist“, so Prof. Dr. Carsten Beta, der am MPIDS und an der Universität Potsdam forscht und lehrt. Die Situation ist vergleichbar mit der eines Pendels, das mit einer ihm eigenen Frequenz schwingt. Stößt man das Pendel mit einer ähnlichen Frequenz an, ist der Ausschlag am stärksten.

Doch die Ergebnisse zeigen noch mehr: „Die Amöben leben offenbar am Rande einer Instabilität“, erklärt Bodenschatz. Bereits kleinste, kaum messbare Veränderungen der äußeren Bedingungen können das Zytoskelett in Schwingung versetzen – oder auch nicht. Ein theoretisches Modell, mit dem die Forscher den Auf- und Abbau des Zytoskeletts beschreiben, kommt zu demselben Ergebnis. Ein ähnliches Verhalten ist etwa von den Haarzellen im Innenohr bekannt. „Jede der Zellen ist somit eine Art Verstärker für äußere Reize: Winzige Unterschiede in den äußeren Bedingungen führen zu gravierenden Änderungen im Verhalten“, so Bodenschatz. Die Zellen können dadurch besonders sensibel auf solche Unterschiede reagieren.

Warum der innere Takt der Amöben in etwa 20 Sekunden folgt, ist allerdings noch unklar.

In ihrer natürlichen Umgebung sind die Einzeller solch vergleichsweise schnellen Signalen nicht ausgesetzt. Die Hilferufe ihrer Artgenossen erfolgen in der Regel im Abstand einiger Minuten. „Allerdings bilden die Zellen bei der Fortbewegung im Abstand von zehn bis 20 Sekunden Ausstülpungen der Zellmembrane aus“, so Bodenschatz. „Möglicherweise braucht die Zelle diese innere Uhr um sich fortzubewegen.“

Dr. Birgit Krummheuer | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://youtu.be/RzdP4iAAEhk

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Wegbereiter für Vitamin A in Reis
21.07.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Pharmakologie - Im Strom der Bläschen
21.07.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Einblicke unter die Oberfläche des Mars

Die Region erstreckt sich über gut 1000 Kilometer entlang des Äquators des Mars. Sie heißt Medusae Fossae Formation und über ihren Ursprung ist bislang wenig bekannt. Der Geologe Prof. Dr. Angelo Pio Rossi von der Jacobs University hat gemeinsam mit Dr. Roberto Orosei vom Nationalen Italienischen Institut für Astrophysik in Bologna und weiteren Wissenschaftlern einen Teilbereich dieses Gebietes, genannt Lucus Planum, näher unter die Lupe genommen – mithilfe von Radarfernerkundung.

Wie bei einem Röntgenbild dringen die Strahlen einige Kilometer tief in die Oberfläche des Planeten ein und liefern Informationen über die Struktur, die...

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungen

Den Nachhaltigkeitskreis schließen: Lebensmittelschutz durch biobasierte Materialien

21.07.2017 | Veranstaltungen

Operatortheorie im Fokus

20.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einblicke unter die Oberfläche des Mars

21.07.2017 | Geowissenschaften

Wegbereiter für Vitamin A in Reis

21.07.2017 | Biowissenschaften Chemie

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungsnachrichten