Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Vorsicht Stauende! Wie ein Molekül-Stau die Zellteilung beeinflusst

07.11.2011
Zelluläre Prozesse sind sehr komplex und werden seit langem in interdisziplinären Projekten erforscht, unter anderem von Biologen und Physikern.

Mit einem der zahlreichen Teilaspekte rund um das „Leben“ einer Zelle befasst sich auch die Arbeitsgruppe von Erwin Frey, Professor für Statistische und Biologische Physik an der Ludwig-Maximilians-Universität München und Mitglied des Exzellenzclusters „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM).

Gemeinsam mit seinen Mitarbeitern Anna Melbinger und Louis Reese untersucht der Wissenschaftler, wie sogenannte molekulare Motoren mit dem Gerüst der Zelle zusammenarbeiten, dem Zytoskelett. Das Zytoskelett besteht aus vielen faserförmigen Strukturen, den Mikrotubuli. Die Motoren oder Motorproteine bewegen sich entlang dieser Filamente und transportieren zum einen große Makromoleküle durch die Zelle.

Zum anderen können sie, am Ende der Mikrotubuli sitzend, als Signal- oder Regulationsmoleküle wirken. Anhand eines theoretischen Modells, das „Stauphänomene“ berücksichtigt, konnten die Biophysiker nun zeigen, dass ein Stau von Motorproteinen auf einem Mikrotubulus die Abbauaktivität der Motoren gravierend beeinflußt. (Biophysical Journal, 2. November 2011)

Frey und seine Mitarbeiter erforschen Motoren, die während der Zellteilung unter anderem die Länge von Mikrotubuli steuern. Zellen, denen diese Motoren fehlen, können sich nicht einwandfrei teilen. Warum kann ein einziges fehlendes Molekül, das Motormolekül, so gravierende Auswirkungen nach sich ziehen? Diese Frage stellten sich die Biophysiker und studierten die detaillierte Funktionsweise des Moleküls sowie seine möglichen Aufgaben während der Zellteilung. Der Schwerpunkt lag dabei auf dem Zusammenspiel von Mikrotubuli und den Motoren, die Mikrotubuli abbauen (depolymerisieren). Dazu benutzten Frey und seine Mitarbeiter ein theoretisches Modell, das „Stauphänomene“ berücksichtigt.

Anhand dieses Modells konnten die Biophysiker zeigen, dass ein Stau von Motorproteinen auf einem Mikrotubulus die Abbauaktivität der Motoren gravierend beeinflußt. Entscheidend ist dabei, wie viele Motorproteine sich in der umgebenden Lösung (dem Zytosol) befinden. Ab einer bestimmten kritischen Konzentration von Motoren bilden sich Staus an der Spitze des Mikrotubulus. Sobald ein Motor dort seine Abbauarbeit getan hat, diffundiert er mit dem abgelösten Mikrotubulus-Baustein in die Lösung. Durch den Stau an Motorproteinen ist aber sofort Nachschub zur Stelle. So ist dann für die Abbaurate alleine die Geschwindigkeit entscheidend, mit der das einzelne Motorprotein den Mikrotubulus abbaut.

Ganz anders sieht es aus, wenn deutlich weniger Motorproteine in der Lösung vorhanden sind. In diesem Fall wird der Nachschub an Motorproteinen zum begrenzenden Faktor. Die Abbaugeschwindigkeit richtet sich dann nur noch danach, wie schnell und wie viel Nachschub an Motoren zum Mikrotubulus-Ende kommt. Somit entwickelt das Kollektiv der Motorproteine bei niedriger Konzentration eine ganz andere Abbaudynamik als bei höherer Konzentration. „Aufgrund bestehender Experimente wussten wir, dass diese kollektiven Effekte im System wichtig sind. Aber überrascht hat uns, dass die Eigenschaften der einzelnen Moleküle dabei zurücktreten“ berichtet Louis Reese, Erstautor der Studie.

Mit ihren Berechnungen tragen die Münchner Physiker dazu bei, dass bestehende Experimente zum Abbau der Mikrotubuli besser verstanden werden. Ein interessantes Phänomen, das seit einiger Zeit diskutiert wird, ist zudem, dass die Abbaugeschwindigkeit von der Länge der Mikrotubuli abhängt. Grund dafür ist die Ansammlung von Motoren entlang des Filaments: Je länger der Mikrotubulus, desto mehr Motorproteine können daran binden. Das theoretische Modell der Münchner Physiker erklärt die grundlegenden funktionellen Eigenschaften in diesem System. Auf diese Weise setzt es die existierenden experimentellen Ergebnisse in einen größeren Zusammenhang.

„Mit dieser Arbeit spielen wir Theoretiker den Ball zurück an die Experimentatoren.“, meint Erwin Frey. „Solche minimalen funktionellen Einheiten zu identifizieren und zu begreifen ist essentiell für das Verständnis von biologischen Systemen. Dabei spielt die Zelle mit ihren zahlreichen Funktionen und Bausteinen die zentrale Rolle. Sie zu verstehen ist ein erklärtes Ziel von Biologie und Biophysik“.

Die Forschungsarbeit wurde unterstützt aus Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (SFB 863) und des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM).

Publikation:
Crowding of molecular motors determines microtubule depolymerization
Louis Reese, Anna Melbinger, and Erwin Frey
Biophysical Journal, Volume 101, Issue 9, 2190-2200, 2. November 2011
DOI: 10.1016/j.bpj.2011.09.009
Ansprechpartner:
Prof. Dr. Erwin Frey
Ludwig-Maxmilians-Universität (LMU) München
Lehrstuhl für Statistische und Biologische Physik
Arnold-Sommerfeld-Center für Theoretische Physik, Center for NanoScience (CeNS) und Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich (NIM)
Tel.: 089 / 2180 – 4537
Fax: 089 / 2180 – 4538
E-Mail: frey@lmu.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.lmu.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Quanten-Wiederkehr: Alles wird wieder wie früher
23.02.2018 | Technische Universität Wien

nachricht Good vibrations feel the force
23.02.2018 | Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Good vibrations feel the force

Eine Gruppe von Forschern um Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg hat eine Methode demonstriert, die es erlaubt die interatomaren Kräfte eines Festkörpers detailliert auszumessen. Ihr Artikel Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, nun online in Nature veröffentlich, erläutert, wie Terahertz-Laserpulse die Atome eines Festkörpers zu extrem hohen Auslenkungen treiben können.

Die zeitaufgelöste Messung der sehr unkonventionellen atomaren Bewegungen, die einer Anregung mit extrem starken Lichtpulsen folgen, ermöglichte es der...

Im Focus: Good vibrations feel the force

A group of researchers led by Andrea Cavalleri at the Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg has demonstrated a new method enabling precise measurements of the interatomic forces that hold crystalline solids together. The paper Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, published online in Nature, explains how a terahertz-frequency laser pulse can drive very large deformations of the crystal.

By measuring the highly unusual atomic trajectories under extreme electromagnetic transients, the MPSD group could reconstruct how rigid the atomic bonds are...

Im Focus: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Im Focus: Developing reliable quantum computers

International research team makes important step on the path to solving certification problems

Quantum computers may one day solve algorithmic problems which even the biggest supercomputers today can’t manage. But how do you test a quantum computer to...

Im Focus: Innovation im Leichtbaubereich: Belastbares Sandwich aus Aramid und Carbon

Die Entwicklung von Leichtbaustrukturen ist eines der zentralen Zukunftsthemen unserer Gesellschaft. Besonders in der Luftfahrtindustrie und in anderen Transportbereichen sind Leichtbaustrukturen gefragt. Sie ermöglichen Energieeinsparungen und reduzieren den Ressourcenverbrauch bei Treibstoffen und Material. Zum Einsatz kommen dabei Verbundmaterialien in der so genannten Sandwich-Bauweise. Diese bestehen aus zwei dünnen, steifen und hochfesten Deckschichten mit einer dazwischen liegenden dicken, vergleichsweise leichten und weichen Mittelschicht, dem Sandwich-Kern.

Aramidpapier ist ein etabliertes Material für solche Sandwichkerne. Sein mechanisches Strukturversagen ist jedoch noch unzureichend erforscht: Bislang fehlten...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Von festen Körpern und Philosophen

23.02.2018 | Veranstaltungen

Spannungsfeld Elektromobilität

23.02.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Von festen Körpern und Philosophen

23.02.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Good vibrations feel the force

23.02.2018 | Physik Astronomie

Empa zeigt «Tankstelle der Zukunft»

23.02.2018 | Messenachrichten

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics