Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Geschickt verpackt

24.05.2007
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung simulieren, wie Zellen Membranhüllen produzieren

Auf die Verpackung kommt es an: Auch Zellen schließen Proteine zum Transport in kleine Membranbläschen ein, damit sich diese unterwegs nicht mit anderen Substanzen vermischen. Wie diese Bläschen, die Vesikel, genau gebildet werden, zählt zu den wichtigen Fragen der Zellbiologie. Forscher des Mainzer Max-Planck-Instituts für Polymerforschung haben mittels einer Computersimulation herausgefunden, wie bestimmte Proteine ohne direkte Wechselwirkung untereinander großflächige Ausstülpungen der Membran erzeugen. Der physikalische Mechanismus, den die Wissenschaftler mit ihrer Simulation entdeckten, wirkt möglicherweise auch an anderen Prozessen mit, bei denen Zellmembranen verformt werden. So ließe sich damit etwa die Bildung von Organellen mit stark gekrümmten Oberflächen wie dem Golgi-Apparat und den Mitochondrien beschreiben (Nature, 24. Mai 2007).


Abb. 1: Die Simulation der Max-Planck-Forscher zeigt, wie sich auf einer Membran großflächige Einstülpungen bilden: Auf einer Membran (blau-gelb) haften Proteine (rot), welche die Membran lokal krümmen (a), dies führt zu einer Ausbuchtung (b). In (c) ist ein fast abgeschnürtes Vesikel im Querschnitt zu sehen. Bild: Max-Planck-Institut für Polymerforschung


Abb. 2: Querschnitt durch eine Membran, die von zwei symmetrisch anhaftenden Teilchen stark gekrümmt wird. Bild: Max-Planck-Institut für Polymerforschung

Jede Zelle des menschlichen Körpers ähnelt einer Fabrik auf kleinstem Raum, die unermüdlich tausende Substanzen produziert. Unter anderem müssen Botenstoffe und Zellbausteine synthetisiert und an die richtige Stelle transportiert werden. Für diesen Materialaustausch verfügen Zellen über einen raffinierte Verpackungsmechanismus: Fertige Proteine werden in kleine Bläschen eingeschlossen, die sich aus der Zellmembran abschnüren. Dazu lagern sich spezielle Proteine an der Membranwand an. Diese verformen die Membran - eine Einstülpung entsteht. Im Inneren eines solchen Vesikels eingeschlossene Proteine überstehen den Transport durch die Zelle, ohne sich unterwegs mit anderen Substanzen zu vermischen. Während Zellbiologen die für die Verformung zuständigen Proteine schon seit längerem kennen, wussten sie über den Prozess der Vesikelbildung bisher noch sehr wenig.

Mit einer Computersimulation haben Wissenschaftler um Markus Deserno am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz nun gezeigt, wie Proteine bei der Verformung der Membran zusammenarbeiten: Binden sie an die Membranoberfläche, rufen sie in ihrer unmittelbaren Umgebung eine trichterähnliche Verformung hervor. Ohne direkt miteinander zu wechselwirken, beeinflussen sich die membrangebundenen Proteine indirekt über die Verformung der Membran. Sobald sich zwei Proteine zu nahe kommen und die gekrümmten Membranen überlappen, führt das zu einer Anziehung, aus der bei ausreichend vielen Proteinen eine Membraneinstülpung entsteht. Diese Anordnung der Proteine ähnelt der von zwei nah beieinander liegenden Kugeln auf einem gespannten Gummituch.

"Uns geht es dabei grundsätzlich um die Frage, wie Membranen verformt werden", sagt Markus Deserno. "In der Zelle gibt es zahlreiche Organellen, etwa den Golgi-Apparat oder die Mitochondrien, deren Membranoberflächen auf ganz bestimmte Art und Weise gekrümmt sind. Solche Verformungen kosten viel Energie, und das muss die Zelle irgendwie steuern. Möglicherweise spielen die Mechanismen, die wir entdeckt haben, auch dort eine Rolle."

Zu Beginn der Simulation sind die membrankrümmenden Proteine erst einmal gleichmäßig verteilt. Im Verlauf der Vesikelbildung wandern sie auf der Membran und häufen sich an bestimmten Stellen. "Das ist das einfachste Szenario, von dem wir ausgehen können", sagt Deserno. "Vermutlich macht die Natur das schlauer und bringt Proteine von Anfang gehäuft an bestimmte Stellen." Außerdem mussten die Max-Planck-Forscher auf die Modellierung von einzelnen Atomen verzichten, sonst wäre das Experiment im Computer rechnerisch nicht zu bewältigen gewesen. Denn während die Natur eine Vesikel in wenigen Millisekunden bildet, benötigten die Computercluster des DEISA-Projektes (Distributed European Infrastructure for Supercomputing Applications) dafür mehrere Wochen.

Originalveröffentlichung:

Benedict J. Reynwar, Gregoria Illya, Vagelis A. Harmandaris, Martin M. Müller, Kurt Kremer und Markus Deserno

Aggregation and Vesiculation of membrane proteins by curvature mediated interactionsAggregation and Vesiculation of membrane proteins by curvature mediated interactions. Nature, 24. Mai 2007

Dr. Bernd Wirsing | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Berichte zu: Max-Planck-Institut Membran Protein Verformung Vesikel Zelle

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Adenoviren binden gezielt an Strukturen auf Tumorzellen
23.04.2018 | Eberhard Karls Universität Tübingen

nachricht Software mit Grips
20.04.2018 | Max-Planck-Institut für Hirnforschung, Frankfurt am Main

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: Moleküle brillant beleuchtet

Physiker des Labors für Attosekundenphysik, der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben eine leistungsstarke Lichtquelle entwickelt, die ultrakurze Pulse über einen Großteil des mittleren Infrarot-Wellenlängenbereichs generiert. Die Wissenschaftler versprechen sich von dieser Technologie eine Vielzahl von Anwendungen, unter anderem im Bereich der Krebsfrüherkennung.

Moleküle sind die Grundelemente des Lebens. Auch wir Menschen bestehen aus ihnen. Sie steuern unseren Biorhythmus, zeigen aber auch an, wenn dieser erkrankt...

Im Focus: Molecules Brilliantly Illuminated

Physicists at the Laboratory for Attosecond Physics, which is jointly run by Ludwig-Maximilians-Universität and the Max Planck Institute of Quantum Optics, have developed a high-power laser system that generates ultrashort pulses of light covering a large share of the mid-infrared spectrum. The researchers envisage a wide range of applications for the technology – in the early diagnosis of cancer, for instance.

Molecules are the building blocks of life. Like all other organisms, we are made of them. They control our biorhythm, and they can also reflect our state of...

Im Focus: Metalle verbinden ohne Schweißen

Kieler Prototyp für neue Verbindungstechnik wird auf Hannover Messe präsentiert

Schweißen ist noch immer die Standardtechnik, um Metalle miteinander zu verbinden. Doch das aufwändige Verfahren unter hohen Temperaturen ist nicht überall...

Im Focus: Software mit Grips

Ein computergestütztes Netzwerk zeigt, wie die Ionenkanäle in der Membran von Nervenzellen so verschiedenartige Fähigkeiten wie Kurzzeitgedächtnis und Hirnwellen steuern können

Nervenzellen, die auch dann aktiv sind, wenn der auslösende Reiz verstummt ist, sind die Grundlage für ein Kurzzeitgedächtnis. Durch rhythmisch aktive...

Im Focus: Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

Von einer einzigen Stammzelle zur Vielzahl hochdifferenzierter Körperzellen: Den vollständigen Stammbaum eines ausgewachsenen Organismus haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Berlin und München in „Science“ publiziert. Entscheidend war der kombinierte Einsatz von RNA- und computerbasierten Technologien.

Wie werden aus einheitlichen Stammzellen komplexe Körperzellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen? Die Differenzierung von Stammzellen in verschiedenste...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Fraunhofer eröffnet Community zur Entwicklung von Anwendungen und Technologien für die Industrie 4.0

23.04.2018 | Veranstaltungen

Mars Sample Return – Wann kommen die ersten Gesteinsproben vom Roten Planeten?

23.04.2018 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Moleküle brillant beleuchtet

23.04.2018 | Physik Astronomie

Sauber und effizient - Fraunhofer ISE präsentiert Wasserstofftechnologien auf Hannover Messe

23.04.2018 | HANNOVER MESSE

Fraunhofer IMWS entwickelt biobasierte Faser-Kunststoff-Verbunde für Leichtbau-Anwendungen

23.04.2018 | Materialwissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics