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Selbstorganisation in
Natur und Zelle

(18.01.2022) Lebende Systeme tragen keinen festen Bauplan in sich; ihre Strukturen formen sich immer wieder neu. So wie Termitenhügel in der Savanne.
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„Eine ganz universale Komponente für Selbst­organisation ist die Selbst­amplifikation“, erklärt Philippe Bastiaens. Das Prinzip erläutert der Direktor der Abteilung Systemische Zellbiologie am Max-Planck-Institut für Molekulare Physiologie in Dortmund am Beispiel eines entstehenden Termitenbaus: Die Termiten­hügel entstehen in gewissen Abständen zueinander, jedoch ohne dass es einen vorgefertigten Bauplan oder eine Anführerin unter den Termiten gibt. „Die Termiten laufen herum, heben ein Sandkorn auf und lassen es woanders wieder fallen – das ist Zufall“, so Bastiaens. Das ist vergleichbar mit der Diffusion eines Gases oder einer Flüssigkeit.

Allerdings hinterlassen die Tiere auf dem Sandkorn, das sie ablegen, ein Pheromon­signal. Umgekehrt erhöht dieses Pheromon in der Umgebung die Wahrschein­lichkeit, dass eine Termite ein Sandkorn fallen lässt. Landen durch zufällige Fluktua­tionen an einer Stelle mehr Sandkörner, ist das Pheromon­signal stärker. Weitere Termiten werden dort bevorzugt Sand ablegen. Dieses Selbst­organisieren mithilfe eines „Zeichens“ – hier das Pheromon auf den Sandkörnern – nennt man Stigmergie.

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Sandkorn auf Sandkorn

„Die Sandhaufen verstärken so ihren eigenen Bau“, bringt es Bastiaens auf den Punkt und spricht vom Prinzip der Auto­katalyse. Ein wachsender Hügel beeinflusst aber auch seine Umgebung, denn dort wird loser Sand fortgeschafft und steht nicht mehr zur Verfügung. „Das ist, als würde in der Nachbarschaft ein Inhibitor aktiviert“, so Bastiaens weiter. Hügel können also nicht beliebig wachsen, sondern halten Abstände zueinander ein, als gäbe es eine Bauver­ordnung, die das vorschreibt.

In einem Review aus dem Jahr 2010 greift Bastiaens zusammen mit Leif Dehmelt das Beispiel der Termiten auf und bezieht sich auf ein Modell des Termiten­forschers Pierre-Paul Grassé aus dem Jahr 1959, das in späteren Arbeiten durch experi­mentelle Daten untermauert wurde (Nat Rev Mol Cell Biol, 11(6): 440-52). Selbst­verständlich ist damit nicht der gesamte Termiten­staat erklärt, und die Hügel sind nur der oberirdische Teil des Baus. Es gibt verschiedene Termiten­arten, die auch unter­schiedliches Baumaterial einsetzen.

Doch dient ein Modell ja dazu, einen Teilaspekt möglichst einfach beschreiben und verstehen zu können, bestenfalls mit überprüf­baren Vorhersagen. Solche Verein­fachungen nimmt Bastiaens auch in seinen Labor­experimenten vor, um die Selbst­organisation in Zellen zu erforschen. Für eine letztes Jahr in Nature Communications veröffentlichte Studie bastelte sein Team synthetische Zellen mit Mikrotubuli, die auf Lichtreize hin ihre Form verändern (12(1): 1548). Die Autoren sprechen von einem „synthetischen morpho­genetischen Membran­system“ (SynMMS). Sie haben Centrosomen und Tubulin gemeinsam mit GTP als Energie­lieferant in Liposomen verpackt – zusammen mit einigen weiteren Komponenten, um den Auf- oder Abbau der Mikrotubuli zu steuern.

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Dynamisches Zellskelett

Mikrotubuli können wachsen oder schrumpfen. Doch selbst ein Mikro­tubulus von konstanter Länge ist nicht statisch. „Das ist wie bei einem Stau auf der Autobahn“, nennt Bastiaens eine Analogie. Denn auch die zwei Kilometer lange Schlange während der Rush-Hour ist ja eine dynamische Struktur, die ständig hinten Autos aufnimmt und vorn Autos abgibt. Ebenso wird bei den Mikrotubuli ständig neues Tubulin an- und abgebaut. Es stellt sich also kein starrer Endzustand ein, sondern man spricht von einem Steady State oder Fließgleich­gewicht. Dabei ist das Protein Stathmin ein wichtiger Vermittler. Es bindet freischwim­mende Tubulin-Einheiten, die damit nicht mehr für den Aufbau der Mikrotubuli zur Verfügung stehen. Ab einer gewissen Konzen­tration an Stathmin schrumpfen die Mikrotubuli also, weil sie mehr Tubulin verlieren als neu anbauen.

Wird Stathmin aber durch eine Kinase phospho­ryliert, so gibt es die gebundenen Tubulin-Moleküle frei, und das Gleich­gewicht verschiebt sich in Richtung Mikrotubuli-Aufbau. In der lebenden Zelle wird Stathmin vor allem durch einen Komplex an der Zellmembran phospho­ryliert, an dem Rac und PAK1 beteiligt sind. Dieser Komplex an der intra­zellulären Seite bildet sich auf extra­zelluläre Signale hin. Für seine künstlichen Zellen hat das Forschungs­team um Bastiaens dieses System an der Zellmembran modifiziert, sodass ein Licht-Stimulus Stathmin phosphoryliert.

Mikrotubuli in der Nähe der Membran finden also mehr Tubulin, das sie anbauen können. Stößt ein Mikrotubulus nun an die Membran und deformiert sie, so wirkt diese „Mulde“ in der Membran wie eine Falle für benachbarte Mikrotubuli, die zufällig dort hinein­geraten. Sie sitzen damit auch näher am phospho­rylierten Stathmin, das die Tubulin-Einheiten freigibt. Dort, wo die Membran einmal nach außen gebeult wird, verstärkt sich der Prozess also – ganz ähnlich, wie sich ein entstehender Termiten­hügel selbst verstärkt.

Selbstorganisation unter Anleitung

Die Kinase an der inneren Zellmembran wird von außen aktiviert. In der lebenden Zelle kommt dieses Signal vielleicht nur aus einer Richtung; im Experiment konnte die Gruppe entsprechend über fokussiertes Licht eine Region der Membran gezielt auswählen und damit die Kinase aktivieren. In der Folge entsteht ein Gradient phospho­rylierten Stathmins: Die Konzentration ist im Lichtfokus am höchsten und nimmt mit der Entfernung ab. In der Entwicklungs­biologie bezeichnet man solch ein chemisch diffundierendes Signal als Morphogen. Über das Morphogen kann somit auch eine Richtung oder Polarität erzeugt werden; demnach können Morphogene die Selbst­organisation also lenken. Es handelt sich um eine „guided self-organization“.

Im Termiten-Modell übernimmt die Königin diese Rolle des „Guides“: Sie produziert ein Pheromon, das den Staat beisam­menhält und damit auch steuert, dass die Arbeiterinnen in der Reichweite ihres Signals Hügel errichten – und nicht beliebig weit von ihr entfernt. Entsprechend haben Bastiaens und Kollegen den Licht-Stimulus als „Guide“ eingesetzt. Ohne solch ein lenkendes Signal entstehen symmetrisch in alle Richtungen auslaufende Mikrotubuli, die die Zelle gleichmäßig verformen und wie einen Morgenstern aussehen lassen; daher nennt man diese Formen auch „Aster“. Ein lokales Lichtsignal hingegen gibt den wachsenden Mikrotubuli-Enden eine Vorzugs­richtung, wobei das Centrosom auf der Seite gegenüber zum Liegen kommt. Die Zelle erhält eine Polarität.

Cytoplasma mit Memory-Funktion

Umgekehrt hingegen ließ sich eine einmal polare Zelle nicht mehr in die Aster-Form zurückführen. „Das ist wie ein Gedächtnis der Zelle; eine Information, die in ihrer Form gespeichert ist“, so Bastiaens’ Interpretation. Er spricht von einer „Pluripotenz“, die die Astern noch haben, die der polaren Variante aber verloren­gegangen ist. In dieser stark reduzierten Modellzelle passiert dieser Schritt ganz ohne Genregulation.

Bastiaens ist sich sicher, dass solche cytoplas­matischen Memory-Effekte auch bei der Entstehung von Krankheiten wie Krebs eine Rolle spielen; er benutzt daher gern den Begriff „intelligentes Cytoplasma“. Seine Gruppe möchte auch verstehen, wie man Krebszellen durch die richtigen Signale, also eine „anleitende Königin“, wieder in den gesunden Zustand zurück­führen kann. Hierzu hielt Bastiaens vor einigen Jahren einen Vortrag im Caesarium Bonn, der auf YouTube abrufbar ist (Link hier).

Mario Rembold

Dieser hier gekürzte Artikel erschien zuerst in der Dezember-Ausgabe von Laborjournal. In der ausführlichen Version erläutert Mario Rembold weitere Beispiele für Selbstorganisation, bei denen Tröpfchen und Milchdrüsen-Organoide eine Rolle spielen.

Bild: Pixabay/hbieser


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Letzte Änderungen: 18.01.2022