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 In Hochleistungs-Mais sind mehr Gene aktiv
19.01.2018 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

nachricht Warum es für Pflanzen gut sein kann auf Sex zu verzichten
19.01.2018 | 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: Maschinelles Lernen im Quantenlabor

Auf dem Weg zum intelligenten Labor präsentieren Physiker der Universitäten Innsbruck und Wien ein lernfähiges Programm, das eigenständig Quantenexperimente entwirft. In ersten Versuchen hat das System selbständig experimentelle Techniken (wieder)entdeckt, die heute in modernen quantenoptischen Labors Standard sind. Dies zeigt, dass Maschinen in Zukunft auch eine kreativ unterstützende Rolle in der Forschung einnehmen könnten.

In unseren Taschen stecken Smartphones, auf den Straßen fahren intelligente Autos, Experimente im Forschungslabor aber werden immer noch ausschließlich von...

Im Focus: Artificial agent designs quantum experiments

On the way to an intelligent laboratory, physicists from Innsbruck and Vienna present an artificial agent that autonomously designs quantum experiments. In initial experiments, the system has independently (re)discovered experimental techniques that are nowadays standard in modern quantum optical laboratories. This shows how machines could play a more creative role in research in the future.

We carry smartphones in our pockets, the streets are dotted with semi-autonomous cars, but in the research laboratory experiments are still being designed by...

Im Focus: Fliegen wird smarter – Kommunikationssystem LYRA im Lufthansa FlyingLab

• Prototypen-Test im Lufthansa FlyingLab
• LYRA Connect ist eine von drei ausgewählten Innovationen
• Bessere Kommunikation zwischen Kabinencrew und Passagieren

Die Zukunft des Fliegens beginnt jetzt: Mehrere Monate haben die Finalisten des Mode- und Technologiewettbewerbs „Telekom Fashion Fusion & Lufthansa FlyingLab“...

Im Focus: Ein Atom dünn: Physiker messen erstmals mechanische Eigenschaften zweidimensionaler Materialien

Die dünnsten heute herstellbaren Materialien haben eine Dicke von einem Atom. Sie zeigen völlig neue Eigenschaften und sind zweidimensional – bisher bekannte Materialien sind dreidimensional aufgebaut. Um sie herstellen und handhaben zu können, liegen sie bislang als Film auf dreidimensionalen Materialien auf. Erstmals ist es Physikern der Universität des Saarlandes um Uwe Hartmann jetzt mit Forschern vom Leibniz-Institut für Neue Materialien gelungen, die mechanischen Eigenschaften von freitragenden Membranen atomar dünner Materialien zu charakterisieren. Die Messungen erfolgten mit dem Rastertunnelmikroskop an Graphen. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forscher im Fachmagazin Nanoscale.

Zweidimensionale Materialien sind erst seit wenigen Jahren bekannt. Die Wissenschaftler André Geim und Konstantin Novoselov erhielten im Jahr 2010 den...

Im Focus: Forscher entschlüsseln zentrales Reaktionsprinzip von Metalloenzymen

Sogenannte vorverspannte Zustände beschleunigen auch photochemische Reaktionen

Was ermöglicht den schnellen Transfer von Elektronen, beispielsweise in der Photosynthese? Ein interdisziplinäres Forscherteam hat die Funktionsweise wichtiger...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Kongress Meditation und Wissenschaft

19.01.2018 | Veranstaltungen

LED Produktentwicklung – Leuchten mit aktuellem Wissen

18.01.2018 | Veranstaltungen

6. Technologie- und Anwendungsdialog am 18. Januar 2018 an der TH Wildau: „Intelligente Logistik“

18.01.2018 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rittal vereinbart mit dem Betriebsrat von RWG Sozialplan - Zukunftsorientierter Dialog führt zur Einigkeit

19.01.2018 | Unternehmensmeldung

Open Science auf offener See

19.01.2018 | Geowissenschaften

Original bleibt Original - Neues Produktschutzverfahren für KFZ-Kennzeichenschilder

19.01.2018 | Informationstechnologie