Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Biophysik: Stabile Grenzen in der Natur

22.01.2013
„Ein bißchen schwanger gibt es nicht.“ Der Spruch macht deutlich, dass die Natur oft eindeutige Entscheidungen trifft. Wie ihr das gelingt, haben LMU-Wissenschaftler anhand eines theoretischen Modells berechnet.
Ein Beispiel für solche Ja-Nein-Regeln ist die Entwicklung eines Embryos. Aus einem homogenen Zellhaufen differenzieren sich die Zellen zu verschiedenen Gewebearten. Die Grenzen zwischen zwei Zellgruppen verlaufen dabei stets definiert und fast unabhängig von Störfaktoren. Physiker um den NIM-Wissenschaftler Professor Erwin Frey (LMU) sind nun der Frage nachgegangen, wie solche Grenzen generell besonders scharf und zugleich unempfindlich gegen Störungen sein können.

Klare Grenzen setzen

Im Fall der Embryoentwicklung der Fruchtfliege Drosophila kommt das Signal zur Zelldifferenzierung von der Mutter. Sie gibt eine Substanz ab, die durch das Embryogewebe diffundiert. Dabei sinkt die Konzentration abhängig von der Entfernung. Eine solche Konzentrationskurve kann jedoch keine eindeutige Ja-Nein-Aussage vermitteln. Dazu muss das Signal der Mutter über zwei „nicht-linearen Zwischenschritte“ moduliert werden.
An die Signalsubstanz ist ein Protein gekoppelt, dessen Konzentration entscheidet, welche Zellen sich zum Kopf und welche zum Rumpf der Fliege entwickeln. Eine eindeutige Grenze entsteht, wenn sich die Konzentration des Proteins sehr schnell in einem sehr schmalen, definierten Bereich des Zellhaufens ändert. Ein Schritt dorthin ist bereits bekannt: Wenn das Protein eine bestimmte Konzentration erreicht hat, beginnt es seine eigene Synthese selber zu verstärken. Doch laut den Münchner Physikern reicht diese eine Modulation für eine klare Grenze nicht aus. „Wir konnten in einem allgemeinen Modell zeigen, dass dazu eine zusätzliche, nichtlineare Vorstufe notwendig ist“, so Steffen Rulands, der als Doktorand an dem Projekt arbeitet.

Umgang mit Störfaktoren

Zudem untersuchten die Wissenschaftler, wie das System Störfaktoren ausschaltet und so die Grenzen stets an der gleichen Position im Gewebe halten kann.

Äußere Faktoren wie Temperaturschwankungen können die Grenze zwischen zwei Zelltypen räumlich verschieben. Hinzu kommen innere Störungen, das sogenannte „Rauschen“: In einer Zelle befinden sich aufgrund ihrer geringen Größe verhältnismäßig wenig Proteine. Dadurch hat das Verhalten jedes einzelnen deutliche Auswirkungen auf das Gesamtsystem.

Die Berechnungen der Münchner Wissenschaftler ergaben, dass sich der Organismus entscheiden muss, ob er innere oder äußere Störungen verhindert. Die jeweils anderen Störungen muss er mit möglichst geringem Energieverlust eindämmen oder hinnehmen. Gegen das Rauschen könnte er beispielsweise die Gesamtproteinzahl erhöhen, gegen Außenfaktoren wie Temperaturschwankungen eine Isolierschicht entwickeln.

Die neuen Erkenntnisse zum Prinzip der stabilen natürlichen Grenzen könnten in Zukunft auch Wissenschaftlern anderer Disziplinen bei ihrer Forschung weiterhelfen. Beispiele wären die Einstellung biochemischer Reaktionen in der Biotechnologie, Prozesse, die die Zellteilung vorbereiten, oder Grenzen in der Ausbreitung verschiedener Tierarten. (NIM)

Publikation:
Stability of localized wave fronts in bistable systems. S. Rulands, B. Klünder and E. Frey. Phys. Rev. Lett. Online

Kontakt:
Prof. Dr. Erwin Frey
Statistical and Biological Physics
Arnold Sommerfeld Center for Theoretical Physics
Ludwig-Maximilians-Universität (LMU)
Theresienstr. 37
D-80333 Munich
Phone: +49 (0)89 / 2180 – 4538
E-Mail: frey@lmu.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.lmu.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht 'Fix Me Another Marguerite!'
23.06.2017 | Universität Regensburg

nachricht Schimpansen belohnen Gefälligkeiten
23.06.2017 | Max-Planck-Institut für Mathematik in den Naturwissenschaften (MPIMIS)

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: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften