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 Besser lernen dank Zink?
23.03.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht Raben: "Junggesellen" leben in dynamischen sozialen Gruppen
23.03.2017 | Universität Wien

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: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Im Focus: Auf der Spur des linearen Ubiquitins

Eine neue Methode ermöglicht es, den Geheimcode linearer Ubiquitin-Ketten zu entschlüsseln. Forscher der Goethe-Universität berichten darüber in der aktuellen Ausgabe von "nature methods", zusammen mit Partnern der Universität Tübingen, der Queen Mary University und des Francis Crick Institute in London.

Ubiquitin ist ein kleines Molekül, das im Körper an andere Proteine angehängt wird und so deren Funktion kontrollieren und verändern kann. Die Anheftung...

Im Focus: Tracing down linear ubiquitination

Researchers at the Goethe University Frankfurt, together with partners from the University of Tübingen in Germany and Queen Mary University as well as Francis Crick Institute from London (UK) have developed a novel technology to decipher the secret ubiquitin code.

Ubiquitin is a small protein that can be linked to other cellular proteins, thereby controlling and modulating their functions. The attachment occurs in many...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

Über Raum, Zeit und Materie

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Besser lernen dank Zink?

23.03.2017 | Biowissenschaften Chemie

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Innenraum-Ortung für dynamische Umgebungen

23.03.2017 | Architektur Bauwesen