Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Lieber längs als quer: Wie Proteine sich während der Zellteilung fortbewegen

21.08.2014

Eine Forschungsgruppe um Prof. Dr. Matthias Weiss an der Universität Bayreuth berichtet in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins „Current Biology“ über neue biophysikalische Erkenntnisse zum Prozess der Zellteilung.

Die Zellen von Menschen, Tieren und Pflanzen vermehren sich durch Zellteilung. Damit aus einer Zelle zwei genetisch gleiche Tochterzellen entstehen können, muss sich der Zellkern teilen. Zu diesem Zweck bildet sich in der Zelle eine spindelförmige Struktur aus, an deren Enden sich jeweils ein Zentrosom befindet.


Schema der Spindel vor dem Mikroskopiebild einer sich teilenden Zelle (grau). Chromatiden sind gelb-orange, Mikrotubuli grün, die Spindelachse weiß und eine der vertikalen Achsen rot dargestellt.

Grafische Darstellung: Prof. Dr. Matthias Weiss, Universität Bayreuth; mit Quellenangabe zur Veröffentlichung frei.


Prof. Dr. Matthias Weiss, Universität Bayreuth.

Foto: Prof. Dr. Matthias Weiss; zur Veröffentlichung frei.

Von beiden Zentrosomen gehen röhrenförmige Fasern – die so genannten Mikrotubuli – zur Mitte der Spindel aus, wo sich das Erbmaterial der Zelle befindet. Die gedachte horizontale Linie zwischen beiden Zentrosomen wird dabei als Spindelachse bezeichnet. Das Erbmaterial besteht zu diesem Zeitpunkt aus zwei genetisch identischen Schwesterchromatiden.

Diese werden mittels der Mikrotubuli entlang der Spindelachse in entgegengesetzte Richtungen gezogen. So ist gewährleistet, dass jede der beiden neuen Tochterzellen das gleiche Erbmaterial enthält wie die Ausgangszelle.

Bevor die Zellteilung einsetzt, ist das Nukleoplasma – der flüssige Inhalt des Zellkerns – durch die Hülle des Zellkerns nach außen abgeschirmt. Außerhalb der Kernhülle, im Zwischenraum zwischen dem Kern und der Außenhaut der Zelle, befindet sich das Zytoplasma.

Am Anfang der Zellteilung bricht die Kernhülle auf, so dass Nukleoplasma und Zytoplasma ein zusammenhängendes Fluid bilden, in dem sich die Spindel entwickelt. In dieser komplexen Flüssigkeit bewegen sich verschiedenartigste Proteine zufällig in alle Richtungen. Es handelt sich, physikalisch gesprochen, um Diffusionsbewegungen.

Spektroskopische Untersuchungen zeigen eine deutliche Bewegungsanomalie

Die Forschungsgruppe um Prof. Dr. Matthias Weiss, der an der Universität Bayreuth einen Lehrstuhl für Experimentalphysik leitet, hat das Bewegungsverhalten von Proteinen im Bereich der Spindel erstmals genauer analysiert. Das Ergebnis: Proteine diffundieren in dem aus Nukleoplasma und Zytoplasma gebildeten Fluid nicht gleichmäßig in alle Richtungen, sondern bevorzugen Bewegungen entlang der Spindelachse und der Mikrotubuli. Hingegen scheinen sie längere Wege, die quer über die Mikrotubuli führen, zu scheuen.

Während Proteine sich also innerhalb der Spindel entlang der Mikrotubuli frei bewegen können, fällt ihnen ein Ausbruch aus dem ‚Spindelgefängnis’ erheblich schwerer; denn dafür müssten sie eine Vielzahl von Mikrotubuli überschreiten. Proteine, die an organisatorischen Prozessen innerhalb der Spindel beteiligt sind, können infolge dieses Diffusionsverhaltens längere Zeit in der Spindel ‚eingesperrt’ bleiben, haben aber ‚Freigang‘ in den Strukturen der Spindel.

Eine Postdoktorandin und eine Master-Studentin aus der Forschungsgruppe um Prof. Weiss haben diese Erkenntnisse in aufwändigen Experimenten mit Hilfe der Fluoreszenzkorrelations-Spektroskopie zutage gefördert. Diese technologisch hochsensitive Methode wurde genutzt, um zu bestimmen, wie sich einzelne Moleküle von grün-fluoreszierendem Protein (GFP) im Bereich der Spindel bewegen.

Die GFP-Moleküle haben einen Durchmesser von rund 1,5 Nanometern und sind daher prototypisch für die meisten Proteine der Zelle. Eine bevorzugte Diffusion entlang der Spindelachse ließ sich aber nicht nur bei diesen relativ kleinen Molekülen beobachten. Größere Partikel – nämlich fluoreszierende Dextranmoleküle mit einem rund zehnfach größeren Durchmesser – verhielten sich ähnlich. Auch größere molekulare Strukturen oder sogar kleine Fragmente von Zellorganellen zeigen mithin eine Präferenz für Bewegungen entlang der Spindelachse und der Mikrotubuli.

„Die Moleküle, deren Bewegungsverhalten wir sichtbar machen konnten, repräsentieren hinsichtlich ihrer Größenordnung die Gesamtheit der Proteine, die in der Spindel oder in ihrer Umgebung diffundieren“, erklärt Prof. Weiss. „In allen Fällen handelt es sich um Makromoleküle, und sie alle sind entlang der Spindelachse viel bewegungsfreudiger als in den beiden vertikalen Richtungen, die von der Spindelachse wegführen.“

Zwei biophysikalische Erklärungen

Wie ist diese experimentelle Beobachtung zu erklären? In „Current Biology“ führen die Mitglieder der Forschungsgruppe zwei Ursachen an, die aus ihrer Sicht bei der Proteindiffusion vermutlich zusammenwirken: Im Innern der Spindel bewegen sich zahlreiche Molekülkomplexe, die den Prozess der Zellteilung in Gang setzen und am Laufen halten.

Die dabei umgesetzte Stoffwechsel-Energie scheint die Zellflüssigkeit entlang der Spindelachse und der Mikrotubuli zu fluidisieren und somit weniger zähflüssig zu machen. Dadurch erhalten Diffusionsbewegungen entlang der Spindelachse einen „Extra-Schub“. Bewegungen, die quer dazu in der Vertikalen verlaufen, fehlt dagegen dieses zusätzliche antreibende Moment. Das Fluid erweist sich in beiden vertikalen Richtungen als erheblich zähflüssiger.

Eine weitere Ursache liegt wahrscheinlich in der horizontalen Ausrichtung der zahlreichen Mikrotubuli, die wie Greifarme von den Zentrosomen in die Mitte der Spindel führen. Sie bilden eine Struktur, die Diffusionsbewegungen entlang der Spindelachse unterstützt, aber gegenläufige Bewegungen behindert. In ähnlicher Weise läuft Regenwasser von einem Wellblechdach leichter in Richtung der vorgegebenen Rinnen ab; Fließbewegungen, die quer zu dieser Struktur verlaufen, werden hingegen erschwert.

„Ein geschickter Kunstgriff der Natur“

„Die Anomalie im Diffusionsverhalten ist ein geschickter Kunstgriff der Natur, der darauf hinwirkt, dass wichtige Makromoleküle nicht kurzfristig aus der Spindel herausdriften und verlorengehen“, meint Prof. Weiss. „Das Material, das für den Aufbau der Spindel und für die Entstehung genetisch gleicher Tochterzellen benötigt wird, bleibt somit über längere Zeit beisammen. Organisations- und Transportprozesse werden durch horizontale Diffusionsbewegungen unterstützt, so dass ein fehlerfreier Zellteilungsprozess viel wahrscheinlicher ist, als wenn sich der Bewegungsdrang der Proteine in alle Richtungen gleich stark entfalten würde.“

Veröffentlichung:

Nisha Pawar, Claudia Donth, and Matthias Weiss,
Anisotropic Diffusion of Macromolecules in the Contiguous Nucleocytoplasmic Fluid during Eukaryotic Cell Division,
Current Biology 24, 1–4, August 18, 2014 - DOI: 10.1016/j.cub.2014.06.072

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Matthias Weiss
Lehrstuhl für Experimentalphysik I
Universität Bayreuth
D-95440 Bayreuth
Sekretariat:
Tel.: +49 (0)921 55-2501
E-Mail: margot.lenich@uni-bayreuth.de

Christian Wißler | Universität Bayreuth
Weitere Informationen:
http://www.uni-bayreuth.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Nerven steuern die Bakterienbesiedlung des Körpers
26.09.2017 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

nachricht Mit künstlicher Intelligenz zum chemischen Fingerabdruck
26.09.2017 | Universität Wien

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: Die schnellste lichtgetriebene Stromquelle der Welt

Die Stromregelung ist eine der wichtigsten Komponenten moderner Elektronik, denn über schnell angesteuerte Elektronenströme werden Daten und Signale übertragen. Die Ansprüche an die Schnelligkeit der Datenübertragung wachsen dabei beständig. In eine ganz neue Dimension der schnellen Stromregelung sind nun Wissenschaftler der Lehrstühle für Laserphysik und Angewandte Physik an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) vorgedrungen. Ihnen ist es gelungen, im „Wundermaterial“ Graphen Elektronenströme innerhalb von einer Femtosekunde in die gewünschte Richtung zu lenken – eine Femtosekunde entspricht dabei dem millionsten Teil einer milliardstel Sekunde.

Der Trick: die Elektronen werden von einer einzigen Schwingung eines Lichtpulses angetrieben. Damit können sie den Vorgang um mehr als das Tausendfache im...

Im Focus: The fastest light-driven current source

Controlling electronic current is essential to modern electronics, as data and signals are transferred by streams of electrons which are controlled at high speed. Demands on transmission speeds are also increasing as technology develops. Scientists from the Chair of Laser Physics and the Chair of Applied Physics at Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) have succeeded in switching on a current with a desired direction in graphene using a single laser pulse within a femtosecond ¬¬ – a femtosecond corresponds to the millionth part of a billionth of a second. This is more than a thousand times faster compared to the most efficient transistors today.

Graphene is up to the job

Im Focus: LaserTAB: Effizientere und präzisere Kontakte dank Roboter-Kollaboration

Auf der diesjährigen productronica in München stellt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT das Laser-Based Tape-Automated Bonding, kurz LaserTAB, vor: Die Aachener Experten zeigen, wie sich dank neuer Optik und Roboter-Unterstützung Batteriezellen und Leistungselektronik effizienter und präziser als bisher lasermikroschweißen lassen.

Auf eine geschickte Kombination von Roboter-Einsatz, Laserscanner mit selbstentwickelter neuer Optik und Prozessüberwachung setzt das Fraunhofer ILT aus Aachen.

Im Focus: LaserTAB: More efficient and precise contacts thanks to human-robot collaboration

At the productronica trade fair in Munich this November, the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT will be presenting Laser-Based Tape-Automated Bonding, LaserTAB for short. The experts from Aachen will be demonstrating how new battery cells and power electronics can be micro-welded more efficiently and precisely than ever before thanks to new optics and robot support.

Fraunhofer ILT from Aachen relies on a clever combination of robotics and a laser scanner with new optics as well as process monitoring, which it has developed...

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Im Spannungsfeld von Biologie und Modellierung

26.09.2017 | Veranstaltungen

Archaeopteryx, Klimawandel und Zugvögel: Deutsche Ornithologen-Gesellschaft tagt an der Uni Halle

26.09.2017 | Veranstaltungen

Unsere Arbeitswelt von morgen – Polarisierendes Thema beim 7. Unternehmertag der HNEE

26.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Europas erste Testumgebung für selbstfahrende Züge entsteht im Burgenland

26.09.2017 | Verkehr Logistik

Nerven steuern die Bakterienbesiedlung des Körpers

26.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Mit künstlicher Intelligenz zum chemischen Fingerabdruck

26.09.2017 | Biowissenschaften Chemie