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 Neurobiologie - Die Chemie der Erinnerung
21.11.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Diabetes: Immunsystem kann Insulin regulieren
21.11.2017 | Universität Basel

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: Kleine Strukturen – große Wirkung

Innovative Schutzschicht für geringen Verbrauch künftiger Rolls-Royce Flugtriebwerke entwickelt

Gemeinsam mit Rolls-Royce Deutschland hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS im Rahmen von zwei Vorhaben aus dem...

Im Focus: Nanoparticles help with malaria diagnosis – new rapid test in development

The WHO reports an estimated 429,000 malaria deaths each year. The disease mostly affects tropical and subtropical regions and in particular the African continent. The Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC teamed up with the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME and the Institute of Tropical Medicine at the University of Tübingen for a new test method to detect malaria parasites in blood. The idea of the research project “NanoFRET” is to develop a highly sensitive and reliable rapid diagnostic test so that patient treatment can begin as early as possible.

Malaria is caused by parasites transmitted by mosquito bite. The most dangerous form of malaria is malaria tropica. Left untreated, it is fatal in most cases....

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Tagung widmet sich dem Thema Autonomes Fahren

21.11.2017 | Veranstaltungen

Neues Elektro-Forschungsfahrzeug am Institut für Mikroelektronische Systeme

21.11.2017 | Veranstaltungen

Raumfahrtkolloquium: Technologien für die Raumfahrt von morgen

21.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Wasserkühlung für die Erdkruste - Meerwasser dringt deutlich tiefer ein

21.11.2017 | Geowissenschaften

Eine Nano-Uhr mit präzisen Zeigern

21.11.2017 | Physik Astronomie

Zentraler Schalter

21.11.2017 | Biowissenschaften Chemie