Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Entscheidend ist die Kopplung von Zellskelett und Zellmembran

12.11.2012
In nachgebildeten Kapillargefäßen sind Augsburger Physiker der wichtigen Rolle des Zellskelettes für die enorme Flexibilität von roten Blutkörperchen auf die Spur gekommen. / Mit Mikrokanälen arbeitende Messmethode verspricht hohes Anwendungspotential in der Diagnostik von Erbkrankheiten.

Die Zellfunktion kann durch die Entkopplung von Zellskelett und Zellmembran mittels Zufuhr des energiereichen Moleküls ATP reguliert werden. Wie sie zu diesem Ergebnis mit seinem hohem Anwendungspotential für die medizinische Diagnostik gekommen sind, berichten Augsburger Nanowissenschaftler um den Physiker Prof. Dr. Thomas Franke in einem zum Front Cover-Artikel gekürten Beitrag der Ausgabe 44/2012 der renommierten Zeitschrift "Soft Matter".


Das Titelfoto von Soft Matter 44/2012 zeigt, wie die roten Blutkörperchen - bedingt durch die Reorganisation des Zellskeletts - beim abrupten Verlassen des engen Mikrokanals einerseits sofort wieder ihre Ruheform annehmen, um sich andererseits in einem deutlich langsameren Prozess zu drehen.

Das Blut wird im menschlichen Organismus permanent durch das Gefäßsystem gepumpt. Dabei durchlaufen seine Hauptbestandteile, die roten Blutkörperchen, während ihrer Lebensdauer von etwa 120 Tagen unzählige Male Arterien und Venen des Körpers. Viele dieser kleinsten Blutgefäße haben lediglich einen Durchmesser von wenigen tausendstel Milimetern und sind damit kleiner als die Blutkörperchen selbst. Erst die enorme Flexibilität und Deformierbarkeit der roten Blutkörperchen macht es möglich, dass sie diesen Stress unbeschadet überstehen.

Diese außerordentliche Anpassungsfähigkeit der roten Blutkörperchen liegt in ihrem "Bauplan" begründet. Sie sind keine prall aufgeblasenen "Luftballone", die bei einwirkendem Druck platzen würden, sondern gleichen eher einem "schlaffen Beutel", den man auch als einen beidseitig eingedellten Pfannekuchen oder Diskus beschreiben könnte. Auch ihr innerer Aufbau ist sehr ausgeklügelt. Die äußere Hülle der roten Blutkörperchen, die Lipidmembran, wird von einem im Zellinneren verankerten Zellskelett stabilisiert. Dieses Zellskelett reorganisiert sich permanent selbst, um so aktiv auf äußere Reize reagieren zu können. Ähnlich wie bei Verbundwerkstoffen ist es dieser "komposite Aufbau", der den roten Blutkörperchen ihre einzigartigen Eigenschaften verleiht.

Wissenschaftler um den Softmatter-Spezialisten Prof. Dr. Thomas Franke haben am Augsburger Lehrstuhl für Experimentalphysik I nun herausgefunden, dass Zellmembran und Zellskelett keineswegs unabhängig voneinander sind und (re)agieren, sondern dass die Antwort der Zelle auf eine äußere Beanspruchung von ihnen gewissermaßen gemeinsam ab- und bestimmt wird. In kleinsten künstlichen Mikrokanälen, die feine Kapillargefäße des Blutsystems nachbilden, haben die Augsburger Forscher das Deformationsverhalten der roten Blutkörperchen studiert. Dazu haben sie Zellen, durch von ihnen nachgebildete Kapillargefäße gezwängt und mit einer Hochgeschwindigkeitskamera beobachtet, wie sie reagieren, wenn sich der Mikrokanaldurchmesser schlagartig weitet.

Festgestellt werden konnte dabei, dass die Zellen nach dem abrupten Verlassen der Verengung zunächst extrem schnell wieder zum eingedellten "Pfannekuchen" werden, auf diese blitzartige Rückumwandlung in die Ruheform dann aber ein weiterer, mehrere Sekunden anhaltender und damit um ein Vielfaches langsamerer Prozess folgt, bei dem sich die bereits wieder in die Ruheform zurückgekehrten Zellen aufgrund der anhaltenden Reorganisation des verscherten Zellskeletts drehen.

Dass diese beiden in ihrer Ausprägung und in ihrem zeitlichen Verhalten völlig unterschiedlichen Prozesse - also die schlagartige Rückkehr in die Ruheform einerseits und die langsamere Drehung andererseits - von ein und demselben Parameter, von der Reorganisation des Zellskeletts nämlich, abhängig sind, konnten Franke und seine Kollegen zeigen, indem sie bei ihrem Versuch Membran und Skelett der Zellen durch Zufuhr des Moleküls ATP voneinander abkoppelten. ATP ist der universelle Energieträger in lebenden Organismen. "Wir haben gesehen", so Franke, "dass die durch die Zufuhr von ATP verursachte Trennung des Zellskeletts von der Zellmembran zu einer Deformation der Zelle führt. Da eine solche Deformation die biologischen Funktionen der Zelle - etwa die Sauerstoffaufnahme - bekanntermaßen entscheidend beeinflusst, bedeutet dies, dass die Zellfunktion durch die Trennung von Membran und Skelett mittels ATP-Zufuhr reguliert werden kann. Und das heißt zugleich, dass Störungen bei der Anknüpfung des Zellskeletts an die Zellmembran, wie sie bei zahlreichen Erbkrankheiten charakteristisch sind, mit unserer Technik direkt nachgewiesen werden können. Unsere Messmethode in Mikrokanälen eignet sich insofern besonders auch für den Einsatz in der Diagnostik solcher Krankheiten."

Originalbeitrag:

Thomas Franke et al.:
Hydrodynamic deformation reveals two coupled modes/time scales of red blood cell relaxation, http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/sm/c2sm26513c/unauth;

erscheint als Front Cover-Artikel in: Soft Matter, Volume 8, Number 44, 28 November 2012

Kontakt:

Prof. Dr. Thomas Franke
Softmatter and Biological Physics
Lehrstuhl für Experimentalphysik I
Universität Augsburg
86135 Augsburg
Telefon +49(0)821-598-3312
thomas.franke@physik.uni-augsburg.de

Klaus P. Prem | idw
Weitere Informationen:
http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/sm/c2sm26513c/unauth
http://www.physik.uni-augsburg.de/lehrstuehle/exp1/mitarbeiter/franke_thomas/
http://www.uni-augsburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Suche nach dem Schlüssel für den mRNP-Code
27.03.2015 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

nachricht Ein Werkzeugkasten für den Bau beweglicher DNA-Nanomaschinen
27.03.2015 | Technische Universität München

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: FiberLab-Roboter begeistert auf Photonics West in San Francisco

Mit ihrem „humanisierten“ Roboter zeigten Anna Lena Baumann und Wolfgang Schade erstmalig die erfolgreiche Umsetzung der 3D-Navigation über eine neuartige Lasermethode, der Standard Single-Mode-Glasfaser. Mehr als 17.000 Teilnehmer konnten den Roboter und FiberLab, das erste Projekt des Photonik Inkubators in Göttingen, auf der Photonics West in San Francisco kennen lernen.

Mit Hilfe eines in die Kleidung eingenähten Fasersensors wurden Armbewegungen eines Probanden dokumentiert und nach entsprechender Auswertung an den Roboter...

Im Focus: Femto Photonic Production: Neue Verfahren mit Ultrakurzpulslasern für die Fertigung von morgen

Für die deutsche Wirtschaft spielt die Lasertechnik eine herausragende Rolle: Etwa 40 Prozent der weltweit verkauften Strahlquellen und 20 Prozent der Lasersysteme für die Materialbearbeitung stammen aus Deutschland.

Beim Einsatz von Lasern in der Produktion sind deutsche Unternehmen führend. Diese Stärken gilt es zu erhalten und auszubauen. Deswegen hat das...

Im Focus: Theorie der starken Wechselwirkung bestätigt: Supercomputer bestimmt Neutron-Proton-Massendifferenz

Nur weil das Neutron ein klein wenig schwerer ist als das Proton, haben Atomkerne genau die Eigenschaften, die unsere Welt und letztlich unsere Existenz ermöglichen.

80 Jahre nach der Entdeckung des Neutrons ist es einem Team aus Frankreich, Deutschland und Ungarn unter Führung des Wuppertaler Forschers Zoltán Fodor nun...

Im Focus: Neurochip für die Hirnforschung erfolgreich im Markt

Neues Mess- und Stimulationssystem nimmt die Kommunikation von Nervenzellen in Echtzeit auf und ermöglicht damit lang erhoffte Grundlagenforschung

Für die Enträtselung neurologischer und neurodegenerativer Erkrankungen wie Parkinson, Alzheimer, Depression oder verschiedene Erblindungsformen verspricht ein...

Im Focus: Klassisch oder nicht? Physik der Nanoplasmen

Die Wechselwirkung von intensiven Laserpulsen mit Partikeln auf einer Nanometer-Skala resultiert in der Erzeugung eines expandierenden Nanoplasmas.

In der Vergangenheit wurde die Dynamik eines Nanoplasmas typischerweise durch klassische Phänomene wie die thermische Emission von Elektronen beschrieben. Im...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

THETIS - Branchentreff für Meeresenergien

27.03.2015 | Veranstaltungen

1. HAMMER BIOENERGIETAGE

27.03.2015 | Veranstaltungen

Technologietag bei der SCHOTT AG - Neue Strukturierungstechnologien für Dünngläser

26.03.2015 | Veranstaltungen

 
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Motormanagement-System kommuniziert per Modbus

27.03.2015 | HANNOVER MESSE

Ein Elektron auf Tauchgang

27.03.2015 | Physik Astronomie

Material für dichtere Magnetspeicher

27.03.2015 | Materialwissenschaften