Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Bewegung ist Leben - Wiener Forscher klären die Struktur des zellulären Antriebssystems

27.04.2010
Viele Zellen sind zu aktiver Bewegung fähig. Sie benutzen dazu einen inneren Antrieb mit Recycling-Funktion. Forschern am IMBA (Institut für Molekulare Biotechnologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften) und IMP (Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie) in Wien gelang es mittels Kryo-Elektronentomographie, den Vorgang buchstäblich einzufrieren und den molekularen Motor wirklichkeitsgetreu darzustellen. Über die Erkenntnisse, die das gängige Lehrbuchmodell erschüttern, berichtet das Wissenschaftsjournal Nature Cell Biology in seiner kommenden Ausgabe.

Immunzellen machen es, Tumorzellen ebenfalls und embryonale Zellen sowieso. Sie bewegen sich im umgebenden Gewebe aktiv und zielstrebig vorwärts. Ohne diese Fähigkeit könnten sich weiße Blutzellen nicht auf eingedrungene Bakterien stürzen und Wunden könnten sich nicht schließen. Verhängnisvoll ist der Bewegungsdrang, wenn er außer Kontrolle gerät, sich bösartige Zellen aus einem Tumor lösen und an anderer Stelle des Körpers Metastasen bilden.

Ein Netz von Perlschnüren in der Zelle

Der zelleigene Motor besteht aus dem Eiweißbaustein Aktin, der - vielfach aneinandergereiht, zu Fäden verknüpft und verdrillt - die Zelle wie ein Netz durchzieht. Die zarten Fäden bilden das Zytoskelett, eine für die Zellfunktion überaus wichtige Struktur. Die Vielseitigkeit der Aktinfäden hängt mit ihrer Fähigkeit zusammen, sowohl schiebende als auch ziehende Bewegungen zu vermitteln. Am „Vorderende“ der Zellen werden Aktinmoleküle wie Perlen an einer Schnur aufgereiht, während die Kette vom hinteren Ende her abgebaut wird. Die einzelnen Bausteine werden dabei kontinuierlich recycelt.

Einzeller bewegen sich relativ plump, indem sie ihren Zellinhalt stetig nach vorne drücken. In Fachkreisen spricht man vom „Zahnpastamodell“ der Bewegung. Innerhalb komplexer Organismen müssen wandernde Zellen jedoch in Gewebe eindringen und sich zwischen eng miteinander verbundene Zellen schieben. Dies gelingt ihnen, indem sie in Bewegungsrichtung zunächst sehr schmale Ausläufer oder zarte Fortsätze bilden und den Rest des Zellinhalts nachziehen.

Der britisch-österreichische Zellbiologe Vic Small, Senior Scientist am IMBA, beschäftigt sich mit der Frage, wie die Bewegung von Zellen im Detail abläuft und wie die Aktinfilamente in den Zellausläufern angeordent sind. Gemeinsam mit seinen Mitarbeiterinnen Edit Urban, Sonja Jacob und Maria Nemethova konnte er nun erstmals die zellinternen Strukturen in ihrem natürlichen Zustand beschreiben. Dass er dabei die gängige Lehrbuchmeinung widerlegt, sorgt in Fachkreisen derzeit für angeregte Diskussionen.

Schlanke Fäden statt zerkochter Spaghetti

Elektronenmikroskopische Bilder zeigten bisher scheinbar deutlich, dass sich die Aktinfäden am vorderen Ende von wandernden Zellen stark verzweigen - in ein dendritisches Netzwerk. Bevor die Zellen allerdings ihr Innerstes preisgaben, wurden sie zur Vorbereitung auf Elektronenstrahl und Vakuum einer groben Prozedur unterzogen. Entwässert, fixiert und mit Schwermetallen überzogen, waren die ultrakleinen Strukturen längst kollabiert, bevor sie betrachtet werden konnten. Dass die zweidimensionale Abbildung lediglich eine Projektion der räumlichen Situation darstellt, entfremdet die Darstellung zusätzlich.

„Was wir bisher gesehen haben, kann man sich wie einen Klumpen klebriger, zerkochter Spaghetti vorstellen, die dann auch noch flach gequetscht werden“, beschreibt Vic Small das gängige Verfahren. „Wir können nun zeigen, dass es diese Verzweigungen gar nicht gibt, sondern dass wir es mit langen, unverzweigten Aktinfäden zu tun haben, die hauptsächlich übereinander liegen“.

Hochtechnologie für zarte Strukturen

Um das dendritische Modell als optische Täuschung zu entlarven, mussten die IMBA-Forscher die Zellstrukturen möglichst unverfälscht betrachten. Dies gelang mit der Kryo-Elektronentomographie, einer Kombination aus zwei Technologien, die in den letzten zehn Jahren zu einem leistungsfähigen Verfahren zusammengeführt wurden.

Das Kryo-Elektronenmikroskop erlaubt es, schockgefrorene Proben bei -196˚C zu untersuchen. Extrem rasches Abkühlen mit einer Rate von -10 000 Grad pro Sekunde lässt das in den Proben enthaltene Wasser nicht zu kristallinem Eis erstarren sondern vitrifizieren. Im gläsernen Eis bleiben die empfindlichen Zellstrukturen nahezu unverändert erhalten. Die Tomographie wird angewandt, um die räumlichen Verhältnisse zu erfassen. Das Objekt wird bei der Aufnahme schrittweise gekippt und in verschiedenen Perspektiven abgebildet - pro Objekt entstehen so 100-200 Bilder.

Das Kryo-Elektronenmikroskop ist das Herzstück des „Center of Molecular and Cellular Nanostructure“, einer gemeinsamen Initiative von IMP und IMBA. Als „Vienna Spot of Excellence“ wird das Projekt von der Stadt Wien und dem ZiT (Zentrum für Innovation und Technologie) gefördert. Das zwei Millionen Euro teure Mikroskop wird von Günter Resch betreut, dem Leiter der IMP-IMBA Serviceeinrichtung für Elektronenmikroskopie. Seine im Lauf des Projekts gesammelte Erfahrung floss auch in die Weiterentwicklung der neuen Technologie mit ein. Gemeinsam mit Leica Microsystems konstruierte er ein Immersionsfriergerät, das die Probenvorbereitung automatisiert. Diese „Gefriermaschine“ wird mittlerweile serienmäßig angeboten.

Die Aufklärung der Struktur des Zellmotors hat weitreichende Bedeutung. „Wir müssen völlig umdenken, was den Antrieb von Zellen angeht“, meint Vic Small. „Das betrifft nicht nur die Bewegung der Zellen selbst, sondern auch die Art und Weise, wie manche Krankheitserreger sich im Körper verbreiten.“

In einem der nächsten Projekte untersuchen die IMBA-Forscher Mikroorganismen, die in Zellen eindringen und den Aktin-Motor für ihre eigenen Zwecke kidnappen. Zu diesen zählen etwa Bakterien der Gattung Listeria.

Die Arbeit “Electron tomography reveals unbranched networks of actin filaments in lamellipodia” von Edit Urban et al. erscheint in der Mai-Ausgabe von Nature Cell Biology. Sie wurde wurde in elektronischer Form vorveröffentlicht (DOI 10.1038/ncb2044).

Zur Person von Vic Small
John Victor Small wurde 1944 in Orpington (UK) geboren. Er studierte am Londoner King’s College, wo er 1969 sein Doktorat in Physik erhielt. Forschungsaufenthalte führten ihn an die Universität Aarhus (Dänemark), die Universität Melbourne (Australien) und an die Harvard-Universität (USA). Von 1977 bis 2003 leitete Vic Small die Abteilung Zellbiologie am Institut für Molekularbiologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Salzburg, dessen Direktor er insgesamt neun Jahre lang war. 1984 habilitierte er sich in den Fächern Biochemie und Zellbiologie. Seit 2004 ist Vic Small Senior Scientist am Wiener Institut für Molekulare Biotechnologie (IMBA) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften.
Über IMBA
Das IMBA – Institut für Molekulare Biotechnologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften kombiniert Grundlagen- und angewandte Forschung auf dem Gebiet der Biomedizin. Interdisziplinär zusammengesetzte Forschergruppen bearbeiten funktionsgenetische Fragen, besonders in Zusammenhang mit der Krankheitsentstehung. Ziel ist es, das erworbene Wissen in die Entwicklung innovativer Ansätze zur Prävention, Diagnose und Therapie von Krankheiten einzubringen.
IMP-IMBA Research Center
Zwischen dem Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie (IMP), das 1988 von Boehringer Ingelheim gegründet wurde, und dem seit 2003 operativen Institut für Molekulare Biotechnologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (IMBA) wurde eine enge Forschungskooperation vereinbart. Unter dem Namen “IMP-IMBA Research Center” greifen die beiden Institute auf eine gemeinsame Infrastruktur im wissenschaftlichen und administrativen Bereich zu. Die beiden Institute beschäftigen insgesamt etwa 400 Mitarbeiter aus 30 Nationen und sind Mitglied des Campus Vienna Biocenter.
Kontakt:
Dr. Heidemarie Hurtl
IMP-IMBA Communications
Tel. +43 1 79730-3625
heidemarie.hurtl@imba.oeaw.ac.at
Wissenschaftlicher Kontakt:
Prof. John Victor Small, IMBA
vic.small@imba.oeaw.ac.at

Dr. Heidemarie Hurtl | idw
Weitere Informationen:
http://www.imba.oeaw.ac.at/research/vic-small/ -
http://cellix.imba.oeaw.ac.at/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Wie Krebszellen Winterschlaf halten
16.07.2018 | Universitätsklinikum Carl Gustav Carus Dresden

nachricht Feinstaub macht Bäume anfälliger gegen Trockenheit
16.07.2018 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

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: Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?

„Wir haben jetzt ein klares Bild davon, wie das heiße Atomgitter und die kalten magnetischen Spins eines ferrimagnetischen Nichtleiters miteinander ins Gleichgewicht gelangen“, sagt Ilie Radu, Wissenschaftler am Max-Born-Institut in Berlin. Das internationale Forscherteam fand heraus, dass eine Energieübertragung sehr schnell stattfindet und zu einem neuartigen Zustand der Materie führt, in dem die Spins zwar heiß sind, aber noch nicht ihr gesamtes magnetisches Moment verringert haben. Dieser „Spinüberdruck“ wird durch wesentlich langsamere Prozesse abgebaut, die eine Abgabe von Drehimpuls an das Gitter ermöglichen. Die Forschungsergebnisse sind jetzt in "Science Advances" erschienen.

Magnete faszinieren die Menschheit bereits seit mehreren tausend Jahren und sind im Zeitalter der digitalen Datenspeicherung von großer praktischer Bedeutung....

Im Focus: Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen

Zum ersten Mal ist es gelungen, die kosmische Herkunft höchstenergetischer Neutrinos zu bestimmen. Eine Forschungsgruppe um IceCube-Wissenschaftlerin Elisa Resconi, Sprecherin des Sonderforschungsbereichs SFB1258 an der Technischen Universität München (TUM), liefert ein wichtiges Indiz in der Beweiskette, dass die vom Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol detektierten Teilchen mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Galaxie in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung stammen.

Um andere Ursprünge mit Gewissheit auszuschließen, untersuchte das Team um die Neutrino-Physikerin Elisa Resconi von der TU München und den Astronom und...

Im Focus: First evidence on the source of extragalactic particles

For the first time ever, scientists have determined the cosmic origin of highest-energy neutrinos. A research group led by IceCube scientist Elisa Resconi, spokesperson of the Collaborative Research Center SFB1258 at the Technical University of Munich (TUM), provides an important piece of evidence that the particles detected by the IceCube neutrino telescope at the South Pole originate from a galaxy four billion light-years away from Earth.

To rule out other origins with certainty, the team led by neutrino physicist Elisa Resconi from the Technical University of Munich and multi-wavelength...

Im Focus: Magnetische Wirbel: Erstmals zwei magnetische Skyrmionenphasen in einem Material entdeckt

Erstmals entdeckte ein Forscherteam in einem Material zwei unabhängige Phasen mit magnetischen Wirbeln, sogenannten Skyrmionen. Die Physiker der Technischen Universitäten München und Dresden sowie von der Universität zu Köln können damit die Eigenschaften dieser für Grundlagenforschung und Anwendungen gleichermaßen interessanten Magnetstrukturen noch eingehender erforschen.

Strudel kennt jeder aus der Badewanne: Wenn das Wasser abgelassen wird, bilden sie sich kreisförmig um den Abfluss. Solche Wirbel sind im Allgemeinen sehr...

Im Focus: Neue Steuerung der Zellteilung entdeckt

Wenn eine Zelle sich teilt, werden sämtliche ihrer Bestandteile gleichmässig auf die Tochterzellen verteilt. UZH-Forschende haben nun ein Enzym identifiziert, das sicherstellt, dass auch Zellbestandteile ohne Membran korrekt aufgeteilt werden. Ihre Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten für die Behandlung von Krebs, neurodegenerative Krankheiten, Alterungsprozessen und Virusinfektionen.

Man kennt es aus der Küche: Werden Aceto balsamico und Olivenöl miteinander vermischt, trennen sich die beiden Flüssigkeiten. Runde Essigtropfen formen sich,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Interdisziplinäre Konferenz: Diabetesforscher und Bioingenieure diskutieren Forschungskonzepte

13.07.2018 | Veranstaltungen

Conference on Laser Polishing – LaP: Feintuning für Oberflächen

12.07.2018 | Veranstaltungen

Materialien für eine Nachhaltige Wasserwirtschaft – MachWas-Konferenz in Frankfurt am Main

11.07.2018 | Veranstaltungen

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

Vertikales Begrünungssystem Biolit Vertical Green<sup>®</sup> auf Landesgartenschau Würzburg

16.07.2018 | Architektur Bauwesen

Feinstaub macht Bäume anfälliger gegen Trockenheit

16.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Wie Krebszellen Winterschlaf halten

16.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

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