Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Biophysik - Mustergültige Zellgeometrie

14.01.2016

Die richtige Verteilung von Proteinen in der Zelle ist für viele Lebensprozesse entscheidend. LMU-Wissenschaftler haben ein neues Modell entwickelt, wie diese Muster entstehen. Ein wichtiger Faktor ist die Form der Zelle.

Das gestreifte Fell des Zebras, gebänderte Muschelschalen oder auch die Anordnung reifer Kerne in der Sonnenblume sind offensichtliche Beispiele für natürliche Muster.


Stäbchenförmige E. coli Bakterien.

Foto: Dr Kateryna / Fotolia.com

Auch auf zellulärer Ebene kommt es zur Musterbildung – und diese biologischen Muster sind für viele Lebensvorgänge essenziell: Innerhalb einzelner Zellen legt die Verteilung bestimmter Proteine – das Proteinmuster – beispielsweise fest, an welcher Stelle die Mutterzelle geteilt wird.

Wissenschaftler um den LMU-Physiker Professor Erwin Frey haben nun mithilfe von Computersimulationen untersucht, wie sich solche Proteinmuster in Bakterienzellen bilden können. Dabei haben sie einen neuen Mechanismus entdeckt, der auf grundlegenden biochemischen Reaktionen beruht und stabile Muster erzeugt. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin PNAS.

„Wir haben die Musterbildung am Beispiel des stäbchenförmigen Bakteriums E.coli simuliert“, sagt Frey. E.coli-Zellen teilen sich mit erstaunlicher Präzision in der Mitte ihrer Längsachse. Maßgeblich daran beteiligt sind die sogenannten Min-Proteine MinC, MinD und MinE, die zwischen den beiden Enden der Zelle hin und her strömen.

Angetrieben wird der Pendelverkehr von einem komplexen Wechselspiel der beiden Min-Proteine MinD und MinE, in dessen Verlauf Komplexe dieser Proteine an die Zellmembran binden und sich aufgrund spezifischer biochemischer Reaktionen wieder lösen. Das Min-System erzeugt ein bipolares Muster, bei dem die Proteinkonzentration an den Zellpolen höher ist als in der Mitte. Dadurch wird die Teilung in der Nähe der Zellpole verhindert, aber nicht in der Mitte der Zelle.

Bindung am Stäbchenende bevorzugt

Die Wissenschaftler haben nun ein Modell entwickelt, in dem ein solches bipolares Muster durch ein einziges Protein – AtMinD – erzeugt wird: „Grundlage dafür waren experimentelle Beobachtungen, die zeigten, dass E.coli-Mutanten, in denen MinD und MinE durch das homologe Protein AtMinD aus den Choloroplasten der Gänserauke ersetzt werden, ebenfalls ein bipolares Muster bilden“, sagt Frey.

AtMinD kommt in zwei Formen vor, die beide an die Zellmembran binden können. Die Musterbildung durch AtMinD-Proteine basiert wie bei den Min-Proteinen darauf, dass diese abwechselnd an die Zellmembran binden und sich wieder ablösen, wobei vergleichbare biochemische Reaktionen wie beim E. coli Min-System ablaufen.

„In unserem minimalen Modell beruht die Musterbildung auf dem Massenwirkungsgesetz und wird durch die unterschiedlichen Membranaffinitäten der beiden Formen von AtMinD gesteuert. Dabei spielt die Geometrie der Zelle eine große Rolle, wie wir zeigen konnten“, sagt Frey: Die Wahrscheinlichkeit, dass ein im Zellinneren diffundierendes Protein auf die Zellmembran trifft und an sie binden kann, ist umso größer, je mehr Membranfläche das Protein erreichen kann – bei stäbchenförmigen Bakterien ist das wegen der Krümmung der Membran am Stäbchenende in der Nähe der beiden Pole der Fall.

Deshalb binden dort die meisten Proteine und es entsteht ein bipolares Muster. Gingen die Wissenschaftler von einer kugelförmigen Zelle aus, verschwand die Polarität. „Im Unterschied zu früheren Theorien setzt das neue Modell nicht voraus, dass Proteine den Grad der Zellmembrankrümmung erkennen, und es müssen auch keine Reaktionsraten angepasst werden“, erklärt Frey. „Damit unterscheidet sich unser Modell ganz grundlegend von dem berühmten Turing-Mechanismus für Musterbildung und hat das Potenzial, eine völlig neue Sichtweise über Musterbildung in biologischen Systemen einzuführen.“

Als nächstes Ziel haben sich die Wissenschaftler vorgenommen, nach weiteren ähnlich einfachen Systemen zu suchen. „Wenn es gelingt, solche Systeme nachzubauen, könnte man verschiedene Minimal-Module zusammenfügen und so Schritt für Schritt diverse wichtige zelluläre Funktionen nachstellen – langfristig könnte dies zur Entwicklung einer ,künstlichen Zelle‘ beitragen, die hilft, komplexe biologische Prozesse besser zu verstehen“, schließt Frey.

Publikation:
Geometry-induced protein pattern formation
Dominik Thalmeier, Jacob Halatek, and Erwin Frey
PNAS 2016

Kontakt:
Prof. Dr. Erwin Frey
Statistische und Biologische Physik
Tel.: 089 2180 4538 (Sekretariat)
E-Mail: frey@lmu.de
http://www.theorie.physik.uni-muenchen.de/lsfrey/group_frey/index.html

Luise Dirscherl | Ludwig-Maximilians-Universität München
Weitere Informationen:
http://www.uni-muenchen.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Geckos kommunizieren überraschend flexibel
29.05.2017 | Max-Planck-Institut für Ornithologie

nachricht Bauchspeicheldrüsenkrebs: Forschungsgruppe erprobt erfolgreich neue Diagnose- und Therapieansätze
29.05.2017 | Wilhelm Sander-Stiftung

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: Neue Methode für die Datenübertragung mit Licht

Der steigende Bedarf an schneller, leistungsfähiger Datenübertragung erfordert die Entwicklung neuer Verfahren zur verlustarmen und störungsfreien Übermittlung von optischen Informationssignalen. Wissenschaftler der Universität Johannesburg, des Instituts für Angewandte Optik der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) präsentieren im Fachblatt „Journal of Optics“ eine neue Möglichkeit, glasfaserbasierte und kabellose optische Datenübertragung effizient miteinander zu verbinden.

Dank des Internets können wir in Sekundenbruchteilen mit Menschen rund um den Globus in Kontakt treten. Damit die Kommunikation reibungslos funktioniert,...

Im Focus: Strathclyde-led research develops world's highest gain high-power laser amplifier

The world's highest gain high power laser amplifier - by many orders of magnitude - has been developed in research led at the University of Strathclyde.

The researchers demonstrated the feasibility of using plasma to amplify short laser pulses of picojoule-level energy up to 100 millijoules, which is a 'gain'...

Im Focus: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Lebensdauer alternder Brücken - prüfen und vorausschauen

29.05.2017 | Veranstaltungen

49. eucen-Konferenz zum Thema Lebenslanges Lernen an Universitäten

29.05.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz an der Schnittstelle von Literatur, Kultur und Wirtschaft

29.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Intelligente Sensoren mit System

29.05.2017 | Messenachrichten

Geckos kommunizieren überraschend flexibel

29.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

1,5 Millionen Euro für vier neue „Innovative Training Networks” an der Universität Hamburg

29.05.2017 | Förderungen Preise