Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ordnung durch Bewegung

24.07.2006
Max-Planck-Wissenschaftler zeigen, wie molekulare Motoren in einer Filamentflüssigkeit Ordnung schaffen können

Moleküle in biologischen Zellen halten einen hohen Grad an räumlicher Ordnung aufrecht, obwohl sie sich ständig in Bewegung befinden. Auf den ersten Blick scheint dies grundlegenden physikalischen Prinzipien zu widersprechen, die Bewegung mit Unordnung in Verbindung bringen. Tatsächlich ist Erwärmung der einfachste Weg, um Moleküle in Bewegung zu versetzen, was zum Schmelzen von Kristallen oder dem Verdampfen von Flüssigkeiten führt, also einer Zerstörung der räumlichen Anordnung der Moleküle. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam haben nun an einem einfachen biomimetischen Modellsystem den entgegengesetzten Effekt gezeigt - das Eintreten räumlicher Ordnung durch molekulare Bewegung. In dem Modellsystem sind molekulare Motoren auf einer Oberfläche verankert und befinden sich in Kontakt mit einer ungeordneten Flüssigkeit von Proteinfilamenten des Zytoskeletts, die von den molekularen Motoren über die Oberfläche gezogen werden. Mit Computersimulationen zeigen die Wissenschaftler, dass diese Filamentflüssigkeit einen Phasenübergang zu einer nematischen geordneten Flüssigkristallphase, in der sich die Filamente parallel anordnen, durchläuft, wenn man die Dichte an molekularen Motoren erhöht. Dieser Ordnungseffekt kommt durch das Wechselspiel zwischen Motoraktivität und abstoßenden Wechselwirkungen zwischen Filamenten zustande und dürfte helfen, grundlegende Musterbildungsprozesse in biologischen Zellen zu verstehen (Physical Review Letters 96, 258103, 30. Juni 2006).


Zwei Schnappschüsse stäbchenförmiger Filamente (blau) auf einer Oberfläche mit verankerten molekularen Motoren (gelb). (a) Bei geringer Motorendichte zeigen die Filamente keine Ordnung. (b) Oberhalb eines Schwellwerts der Motorendichte ordnen sich die Filamente spontan in ein paralleles Muster. Dieses "aktive nematische Ordnen" wird durch das Zusammenwirken von motorgetriebener Bewegung und Kollisionen der Filamente untereinander hervorgerufen. Bild: Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung

Das Zytoskelett gibt biologischen Zellen mechanische Stabilität und spielt eine große Rolle für intrazellulären Transport und Dynamik. Auf den Filamenten des Zytoskeletts kann die Bewegung von Motorproteinen gerichtet verlaufen, was einen schnellen Transport über große Entfernungen entlang der "Filamentschienen" des Zytoskeletts ermöglicht. Neben ihrer Funktion als Nano-Zugmaschinen sind molekulare Motoren auch an der ständigen Umorganisation des Zytoskeletts selbst aktiv beteiligt. Diese Umorganisation ist notwendig für Zellmotilität und Zellteilung. Während dieser Prozesse sind die Filamente des Zytoskeletts in ständiger Bewegung.

Trotzdem werden in diesem dynamischen Zustand geordnete Strukturen wie die mitotische Spindel hervorgebracht. Um die Prinzipien zu verstehen, die hinter dieser motorgetriebenen Dynamik und den damit verbundenen Musterbildungsprozessen durch Filamente des Zytoskeletts stehen, nutzen Forscher biomimetische Modellsysteme wie etwa ‚Motility-Assays’, die nur einige wenige Komponenten biologischer Zellen enthalten. In einem Motility-Assay werden molekulare Motoren auf einer Oberfläche adsorbiert und verankert, über die sie dann Zytoskelett-Filamente ziehen.

Die Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam haben nun eine neue Theorie entwickelt und in Computersimulationen gestestet, die erklären, wie sich die Filamente unter dem Einfluss dieser Zugbewegung und im Zusammenspiel mit Kollisionen spontan parallel ordnen. Diese parallele Ordnung von Filamenten ist der so genannten nematischen Ordnung stäbchenförmiger Moleküle in einem Flüssigkristall sehr ähnlich. Aber während die parallele Ordnung im Flüssigkristall nur durch eine Erhöhung der Filamentdichte oder -länge ausgelöst wird, kann die Filamentordnung im Motility-Assay auch durch eine Erhöhung der Motorendichte erreicht werden. Überraschenderweise verstärkt somit die motorgetriebene Bewegung der Filamente die Tendenz zur Ordnung. Dies scheint einem physikalischen Grundprinzip zu widersprechen, demzufolge mikroskopische Bewegung von Molekülen im Allgemeinen zu einer Zerstörung ihrer Ordnung führt - ein bekanntes Beispiel dafür ist das Schmelzen eines Kristalls.

Die größere Orientierungsordnung der Filamente unter dem Einfluss der Aktivität molekularer Motoren wurde in Computersimulationen gezeigt (vgl. Abb.) In Abbildung (a) ist die Motordichte klein und die Filamente zeigen keine Ordnung. In Abbildung (b) wurde lediglich die Motorendichte erhöht und die Filamente ordnen sich parallel zueinander an. Theoretisch kann dieser Effekt mithilfe des Konzeptes einer effektiven Filamentlänge erklärt werden, die sich vergrößert aufgrund der Motoraktivität: Weil die Motoren die Filamente entlang ihrer Achse bewegen, haben diese eine größere effektive Länge und beginnen bereits bei geringeren Dichten, miteinander zu wechselwirken und sich dadurch parallel anzuordnen.

Dieses allgemeingültige theoretische Konzept sollte sich auch auf andere Motor-Filament-Systeme anwenden lassen. So deuten mehrere experimentelle Studien darauf hin, dass sich in Lösungen von Filamenten und Motorproteinen - durch die Aktivität molekularer Motoren - auch in drei Dimensionen eine Orientierung der Filamente einstellen kann.

Originalveröffentlichung:

Pavel Kraikivski, Reinhard Lipowsky, and Jan Kierfeld
Enhanced ordering of interacting filaments by molecular motors
Phys. Rev. Lett. 96, 258103, (2006)

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/

Weitere Berichte zu: Computersimulationen Filamente Modellsystem Molekül Zytoskelett

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Pflanzlicher Wirkstoff lässt Wimpern wachsen
09.12.2016 | Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

nachricht Wolkenbildung: Wie Feldspat als Gefrierkeim wirkt
09.12.2016 | Karlsruher Institut für Technologie

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: Elektronenautobahn im Kristall

Physiker der Universität Würzburg haben an einer bestimmten Form topologischer Isolatoren eine überraschende Entdeckung gemacht. Die Erklärung für den Effekt findet sich in der Struktur der verwendeten Materialien. Ihre Arbeit haben die Forscher jetzt in Science veröffentlicht.

Sie sind das derzeit „heißeste Eisen“ der Physik, wie die Neue Zürcher Zeitung schreibt: topologische Isolatoren. Ihre Bedeutung wurde erst vor wenigen Wochen...

Im Focus: Electron highway inside crystal

Physicists of the University of Würzburg have made an astonishing discovery in a specific type of topological insulators. The effect is due to the structure of the materials used. The researchers have now published their work in the journal Science.

Topological insulators are currently the hot topic in physics according to the newspaper Neue Zürcher Zeitung. Only a few weeks ago, their importance was...

Im Focus: Rätsel um Mott-Isolatoren gelöst

Universelles Verhalten am Mott-Metall-Isolator-Übergang aufgedeckt

Die Ursache für den 1937 von Sir Nevill Francis Mott vorhergesagten Metall-Isolator-Übergang basiert auf der gegenseitigen Abstoßung der gleichnamig geladenen...

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Firmen- und Forschungsnetzwerk Munitect tagt am IOW

08.12.2016 | Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochgenaue Versuchsstände für dynamisch belastete Komponenten – Workshop zeigt Potenzial auf

09.12.2016 | Seminare Workshops

Ein Nano-Kreisverkehr für Licht

09.12.2016 | Physik Astronomie

Pflanzlicher Wirkstoff lässt Wimpern wachsen

09.12.2016 | Biowissenschaften Chemie