Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Elastizität von Zellbausteinen erklärt - Grundlagen für Biomaschinen

17.01.2008
Sie spielen für viele Zellfunktionen eine wichtige Rolle: Mikrotubuli, stabförmige Zellbausteine. Ihr elastisches Verhalten können Wissenschaftler der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München, der University of Texas und des European Molecular Biology Laboratory in Heidelberg jetzt physikalisch erklären.

Das gelang den Forschern, zu denen auch Professor Erwin Frey vom Department für Physik der LMU gehört, mit einer Kombination aus eleganten Einzelmolekülexperimenten und einem neuen theoretischen Modell, das den molekularen Aufbau der Strukturen berücksichtigt. Die Ergebnisse, die auch für die Entwicklung biologischer Maschinen bedeutsam sein können, wurden in der aktuellen Ausgabe von "Physical Review Letters" veröffentlicht.

Mikrotubuli sind stabförmige Proteinbausteine des Zytoskeletts, also des Grundgerüsts biologischer Zellen. Sie kommen in verschiedenen Größen und Architekturen vor und spielen eine entscheidende Rolle für viele Zellfunktionen. Als molekulare Zugseile sind sie bei der Zellteilung von großer Bedeutung und dienen gleichzeitig als molekulare Schienen dem Transport von Substanzen.

Um die Funktionsweise dieser Strukturen zu erklären, ist das Verständnis ihrer elastischen Eigenschaften unabdingbar. Bisher wurde dafür ein Modell verwendet, bei dem man von homogenen, isotropen Stäben ausgeht, die einzig und allein durch ihre Biegefestigkeit charakterisiert werden. Man spricht vom "Wormlike Chain"-Modell, auf deutsch etwa: "wurmartige Kette". Der theoretische Physiker Professor Erwin Frey hat nun zusammen mit Kollegen von der University of Texas und dem "European Molecular Biology Laboratory" in Heidelberg gezeigt, dass dieses Standardmodell das elastische Verhalten von Mikrotubuli nicht ausreichend erklärt. So kann man beobachten, dass längere Stäbe steifer sind als kurze, was nicht mit dem "Wormlike Chain"-Modell zu beschreiben ist. Den Wissenschaftlern gelang nun die Entwicklung eines neuen Modells, das die molekulare Struktur der Mikrotubuli berücksichtigt.

... mehr zu:
»Mikrotubulus
In Wirklichkeit handelt es sich dabei nämlich um Röhren mit einem Durchmesser von etwa 25 Nanometern, die ihrerseits aus kleinen parallel angeordneten Stangen gebildet werden, so genannten Protofilamenten, die sich gegeneinander verschieben lassen. Zwischen diesen aus winzigen kugelförmigen Proteinen bestehenden Stangen treten molekulare Reibungs- und Federkräfte auf. Eine Verbiegung solcher Strukturen kann man sich in etwa wie das Biegen eines Buches vorstellen, bei dem die Seiten aneinander entlang gleiten.

Zur Beschreibung der elastischen Eigenschaften solcher hierarchischer molekularer Architekturen haben Frey und seine Mitarbeiter Heussinger und Bathe eine neue vereinheitlichte Theorie der "Wormlike Bundles" entwickelt, bei der die Reibungs- und Federkräfte berücksichtigt werden. Mikrotubuli repräsentieren dabei nur eine Variante aus einer breiten Klasse bündelartiger Strukturen, die sich mit der Theorie beschreiben lassen, zum Beispiel auch Kohlenstoff-Nanoröhren.

Die Wissenschaftler haben zur Überprüfung ihrer Theorie im Labor die thermischen Fluktuationen von Mikrotubuli analysiert. Dazu haben sie diese mit Fluoreszenzmarkern versehen und anschließend die Marker unter dem Mikroskop beobachtet. Aus dem gemittelten Versatz beim Verbiegen konnte die Relaxationszeit berechnet werden, also die Zeit bis zur Rückkehr in die Ausgangslage - eine wichtige Kenngröße der elastischen Eigenschaften. Bei kurzen Mikrotubuli mit einer Länge L unter zehn Mikrometern stieg die Relaxationszeit quadratisch mit L an. Nach dem bisher verwendeten "Wormlike Chain"-Modell erwartet man aber eine Proportionalität zur vierten Potenz der Länge. Die quadratische Abhängigkeit kann nur mit dem neuen "Wormlike Bundle"-Modell erklärt werden. Bei noch kleineren Mikrotubuli kürzer als 5 Mikrometer lassen die Messergebnisse darauf schließen, dass innere Reibung zusätzliche Beiträge zur Fluktuationsdynamik liefert.

Die in der aktuellen Ausgabe von "Physical Review Letters" veröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass sich unter Einbeziehung der molekularen Architektur die Elastizitäts-Eigenschaften von semiflexiblen Polymeren mit Protofilament-Struktur physikalisch erklären lassen. Diese Erkenntnisse bilden auch eine Grundlage für die Konzeption und den Bau künstlicher biologischer Maschinen. So hängt die Funktionsweise von biologischen Schaltern oder Transportmechanismen in hohem Maße mit den elastischen Eigenschaften der verwendeten Grundbausteine zusammen. Die Anwendung der Theorie auf Kohlenstoff-Nanoröhren liefert zudem einen wichtigen Beitrag für die Forschungsarbeiten an diesen vielversprechenden neuen Materialien.

Die vorgestellten Arbeiten entstanden im Rahmen des Exzellenz-Clusters "Nanosystems Initiative Munich", das es sich zum Ziel gesetzt hat, funktionale Nanostrukturen für Anwendungen in der Medizin und in der Informationsverarbeitung zu entwickeln, zu erforschen und zum Einsatz zu bringen.

Veröffentlichung:
Microtubule dynamics depart from the wormlike chain model, K. Taute, F. Pampaloni, E. Frey, and E.-L. Forin, Phys. Rev. Lett. [q-bio.BM/0708.1928]
Ansprechpartner:
Prof. Dr. Erwin Frey
Ludwig-Maximilians-Universität München
Fakultät für Physik
Tel.: 089 / 2180 4538
E-Mail: frey@lmu.de
Dr. Peter Sonntag
Nanosystems Initiative Munich
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Tel.: 089 / 2180 5091
E-Mail: peter.sonntag@lmu.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-muenchen.de/

Weitere Berichte zu: Mikrotubulus

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Forscher entschlüsseln zentrales Reaktionsprinzip von Metalloenzymen
16.01.2018 | Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

nachricht Leuchtende Echsen - Knochenbasierte Fluoreszenz bei Chamäleons
15.01.2018 | Staatliche Naturwissenschaftliche Sammlungen Bayerns

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: Forscher entschlüsseln zentrales Reaktionsprinzip von Metalloenzymen

Sogenannte vorverspannte Zustände beschleunigen auch photochemische Reaktionen

Was ermöglicht den schnellen Transfer von Elektronen, beispielsweise in der Photosynthese? Ein interdisziplinäres Forscherteam hat die Funktionsweise wichtiger...

Im Focus: Scientists decipher key principle behind reaction of metalloenzymes

So-called pre-distorted states accelerate photochemical reactions too

What enables electrons to be transferred swiftly, for example during photosynthesis? An interdisciplinary team of researchers has worked out the details of how...

Im Focus: Erstmalige präzise Messung der effektiven Ladung eines einzelnen Moleküls

Zum ersten Mal ist es Forschenden gelungen, die effektive elektrische Ladung eines einzelnen Moleküls in Lösung präzise zu messen. Dieser fundamentale Fortschritt einer vom SNF unterstützten Professorin könnte den Weg für die Entwicklung neuartiger medizinischer Diagnosegeräte ebnen.

Die elektrische Ladung ist eine der Kerneigenschaften, mit denen Moleküle miteinander in Wechselwirkung treten. Das Leben selber wäre ohne diese Eigenschaft...

Im Focus: The first precise measurement of a single molecule's effective charge

For the first time, scientists have precisely measured the effective electrical charge of a single molecule in solution. This fundamental insight of an SNSF Professor could also pave the way for future medical diagnostics.

Electrical charge is one of the key properties that allows molecules to interact. Life itself depends on this phenomenon: many biological processes involve...

Im Focus: Wie Metallstrukturen effektiv helfen, Knochen zu heilen

Forscher schaffen neue Generation von Knochenimplantaten

Wissenschaftler am Julius Wolff Institut, dem Berlin-Brandenburger Centrum für Regenerative Therapien und dem Centrum für Muskuloskeletale Chirurgie der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

2. Hannoverscher Datenschutztag: Neuer Datenschutz im Mai – Viele Unternehmen nicht vorbereitet!

16.01.2018 | Veranstaltungen

Fachtagung analytica conference 2018

15.01.2018 | Veranstaltungen

Tagung „Elektronikkühlung - Wärmemanagement“ vom 06. - 07.03.2018 in Essen

11.01.2018 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rittal mit neuem Onlineauftritt - Lösungskompetenz für alle IT-Szenarien

16.01.2018 | Unternehmensmeldung

Die „dunkle“ Seite der Spin-Physik

16.01.2018 | Physik Astronomie

Wetteranomalien verstärken Meereisschwund

16.01.2018 | Geowissenschaften