Biophysik – Den Ring schließen

Das Abschnüren besiegelt die Trennung: Bakterien vermehren sich mithilfe eines Proteinrings, der sich in der Zellmitte wie ein Gummiband zusammenzieht und die Mutterzelle in zwei Tochterzellen teilt. LMU-Physiker um Erwin Frey, Inhaber des Lehrstuhls für Biologische und Statistische Physik, haben nun mithilfe von mathematischen Modellierungen untersucht, welche Mechanismen die Entstehung dieses sogenannten Z-Rings steuern.

Dabei haben die Forscher einen ganz neuen Mechanismus der Musterbildung entdeckt: Die Simulationen zeigen, dass sich die ringbildenden Proteine von einer gewissen Moleküldichte an von selbst organisieren und zu Ringen zusammenschließen.

„Aus biologischer Sicht ist dies hoch interessant, weil es ein völlig neues Licht auf die bisher nicht verstandene Dynamik der bakteriellen Zellteilung wirft“, sagt Frey. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Physical Review Letters.

Der Z-Ring besteht aus sogenannten FtsZ-Proteinen, die sich zu gekrümmten Polymeren zusammenschließen, wie Experimente auf künstlichen Membranen zeigten. Diese Polymere können ihre Position verändern, indem einzelne Proteinbausteine aktiv umverteilt werden: Am Anfang des Proteins werden neue Bausteine angebaut, während am Polymerende Proteine wieder entfernt werden. Durch diesen sogenannten „Tretmühleneffekt“ scheint das Polymer über die Membran zu kriechen.

„Unter bestimmten Versuchsbedingungen bilden die Polymere nach einiger Zeit Cluster, die sich zu rotierenden Ringen zusammenschließen“, sagt Jonas Denk, gemeinsam mit Lorenz Huber Erstautor der Studie. „Interessanterweise haben diese Ringe in etwa den Durchmesser einer Bakterienzelle“.

Rotierende Cluster

Den Wissenschaftlern gelang es nun, diesen ungewöhnlichen Effekt mithilfe von mathematischen Modellen zu simulieren, die die Krümmung der Polymere und ihre damit verbundene Kreisbewegung berücksichtigen. Als weiterer Parameter ging in die Simulation ein, dass sich die Polymere gegenseitig abstoßen, es also kein „Übereinanderlaufen“ der Polymere gibt. „Unsere zentrale Frage war, welcher Mechanismus die Bildung der ringförmigen Muster antreibt“, sagt Huber.

Die Simulationen haben nun gezeigt, dass die Dichte der Polymere – also die Teilchenzahl – der entscheidende Faktor ist: Sind nur wenige Teilchen vorhanden, gibt es kaum Wechselwirkungen und die einzelnen Polymere bleiben voneinander separiert. Steigt die Teilchenzahl jedoch, kollidieren die Polymere miteinander. Als Folge der Kollisionen und der Kreisbewegung der einzelnen gekrümmten Polymere gruppieren sich die Polymere dann zu Clustern zusammen, die einen dichten rotierenden Ring bilden.

Nach Ansicht der Wissenschaftler legen ihre Ergebnisse nahe, dass auch die Bildung des Z-Rings in Bakterienzellen auf dieser Selbstorganisation der FtsZ-Polymere beruht – dass also die Proteindichte auch in lebenden Zellen die treibende Kraft ist, über die die Zelle die Ringbildung steuert. Ein solches sich selbst antreibendes System wäre ein völlig neuartiger Mechanismus der Ringbildung, der sich grundlegend davon unterscheidet, wie etwa in eukaryotischen Zellen Zellwände abgeschnürt werden:

„Dort sind für diesen Prozess bestimmte Motorproteine essenziell, die sich an die Zellwände anheften und richtig ziehen“, sagt Denk. Zusätzlich zu ihrer biologischen Bedeutung seien diese Ergebnisse auch aus mathematisch-physikalischer Sicht hoch interessant, erklärt Huber: „Die Phänomenologie unseres Modells unterscheidet sich stark von konventionellen Klassen angetriebener oder aktiver Teilchen. Seine mathematische Beschreibung führt zu einer verallgemeinerten Version einer komplexen Gleichung, die im Zusammenhang mit Phänomenen wie der bakteriellen Turbulenz und der Musterbildung in allgemeinen, nichtlinearen Systemen eine Rolle spielt.“
Physical Review Letters 2016

Publikation:
Active Curved Polymers form Vortex Patterns on Membranes
Jonas Denk, Lorenz Huber, Emanuel Reithmann, and Erwin Frey
Physical Review Letters 2016

Kontakt:
Prof. Dr. Erwin Frey
Statistische und Biologische Physik
Tel.: 089 2180 4538 (Sekretariat)
frey@lmu.de
http://www.theorie.physik.uni-muenchen.de/lsfrey/group_frey/index.html