Biophysik: Stabile Grenzen in der Natur

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)
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