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Cyto-Beben

von Juliet Merz (Laborjournal-Ausgabe 3, 2022)


(10.03.2022) Das Cytoskelett steht die meiste Zeit unter Spannung und wird von der Zelle ständig umgebaut, was Energie in Form von ATP verbraucht. Während Spannung durch Aktin-Myosin-Interaktionen entsteht, sind vor allem Aktin-Polymerisierungen an den Umstrukturierungsprozessen des Cytoskeletts beteiligt.

Ein Forschungsteam von den Universitäten in São Paulo (Brasilien) und Barcelona (Spanien) sowie der Harvard Medical School in Boston (USA) stellte sich vor ein paar Jahren die Frage, ob diese lokalen Prozesse Zell-übergreifende Auswirkungen haben (Soft Matter 12: 8506-11). Ihre Überlegung: Die Interaktionen und Polymerisierungen können möglicherweise zu einer elastischen Dehnungsenergie führen, die sich nicht vor Ort, sondern an einer ganz anderen Stelle in der Zelle bildet. Diese Energie könnte sich dann abrupt entladen, wenn beispielsweise Fasern brechen, sich neu anordnen oder wenn Myosinfasern und Aktinfasern (voneinander) abrutschen. Solche plötzlichen Struktur- und Energieänderungen im Cytoskelett-Netzwerk könnten sich dann über serielle Umlagerungsereignisse ausbreiten; die Gruppe um Erstautor Adriano Mesquita Alencar stellt sich das vor wie bei einem Erdbeben – und nennt es Cyto-Beben.

Die Analogie zwischen biologischen und geologischen Phänomenen ist nicht neu. Die Physikerin Anjum Ansari und ihre Kollegen von der University of Illinois at Urbana-Champaign (USA) nutzten den Begriff Protein-Beben (Proteinquakes) schon 1985, um eine große, plötzliche Rekonfiguration von Myoglobin-Molekülen zu beschreiben (PNAS 82(15): 5000-4). Myoglobin sitzt in Skelettmuskeln von Wirbeltieren und kann sowohl Sauerstoff als auch Kohlenmonoxid in einer Art und Weise binden, die Forscher vermuten lässt, dass das Protein sehr viele Subzustände einnehmen kann.

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Aber zurück zum Cyto-Beben. Um zu testen, ob die Prozesse des Cytoskeletts wirklich zu Erdbeben-ähnlichen Ereignissen führen, skalierten Alencar et al. einfach ein Experiment herunter, das auch bei Erdbeben-Forschern sehr beliebt ist: Anstatt Sonden auf der Erdoberfläche zu platzieren, befestigte die Gruppe Mikro-Beads, also kleine ferrimagnetische Kügelchen an der Zelloberfläche. Diese sollten spontane Cyto-Beben im Nanomaßstab sichtbar machen. Die Beads sind mit einem synthetischen, drei Aminosäuren kleinen Peptid beschichtet , mit dem sie zufällig an die apikale Oberfläche von glatten Muskelzellen haften und sich fest an transmembrale Integrin-Rezeptoren und damit F-Aktin binden. Die Beads können sich dadurch nicht mehr bewegen, es sei denn, das Cytoskelett rearrangiert sich.

Erst langsam, dann schnell

Das Forschungsteam beobachtete die Bewegungen der ferrimagnetischen Kügelchen im Zell-Alltag – und tatsächlich: In der Zelle spielen sich Ereignisse ab, die an ein Erdbeben erinnern. Das Cytoskelett rekonfiguriert lokal und abrupt seine Komponenten, was messbare Bewegungen auslöst, die sogar weit vom Ort des Geschehens nachweisbar sind. Besonders spannend dabei ist, dass die Cyto-Beben sowohl qualitativ als auch quantitativ den für Erdbeben typischen empirischen Gesetzen folgen – etwa der Abklingrate von Nachbeben nach dem Omori-Gesetz.

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Doch welchen Sinn die Cyto-Beben haben und was dabei genau in der Zelle abläuft, bleibt rätselhaft. Einen Erklärungsversuch wagte ein Team um Carlos Floyd von der Universität in Maryland (USA) vergangenes Jahr (PNAS 118(41): e2110239118). Mithilfe von Computer-Simulationen konnte die Forschungsgruppe zeigen, dass die Cyto-Beben durch den langsamen Aufbau von mechanischer Energie verursacht werden, die sich dann schlagartig innerhalb der Zelle freisetzt.

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Illustr.: JM

Die Anordnung der Cytoskelett-Elemente erinnert dabei ein wenig an eine Tensegrity-Struktur (siehe Illustration). Das geometrische Spielzeug besteht aus flexiblen Kabeln (rote Linien) und starren Stäben, die unter Spannung und Druck stehen und der Schwerkraft zu trotzen scheinen. Wenn Spannung auf einen Teil der Struktur (oder der Zelle) ausgeübt wird, kann diese andernorts Spannung aufbauen, die sich dann plötzlich lösen kann. Floyd et al. vergleichen das Prinzip auch mit einem Sandhaufen: Erfährt der Sandhaufen Druck, kann er vorerst zwar seine Struktur beibehalten, irgendwann stürzt er allerdings plötzlich in einer Gleitsandlawine ein. Die Autoren nutzen daher als Analogie für die Zell-Prozesse nicht nur das Erdbeben, sondern auch die Lawine.

Die Computer-Berechnungen erstellte das Team mit der Simulationssoftware MEDYAN (Mechanochemical Dynamics of Active Networks). Das Programm wendet Gesetze der Physik und Chemie an, um zu bestimmen, wie sich Cytoskelett-Moleküle verhalten. Im nächsten Schritt möchten Floyd und Co. die Simulationsberechnungen dahingehend erweitern, dass sie nicht nur das Cytoskelett berücksichtigen, sondern auch die verschiedenen membranumhüllten Zellorganellen.

Und was nutzt der Zelle nun ein solches Cyto-Beben? Die Autoren vermuten, dass die Prozesse der Zelle helfen, schnell auf Signale aus der Umgebung zu reagieren – etwa wenn sie Moleküle einer anderen Zelle ortet oder Hormone im Blutkreislauf „erschnüffelt“. Das kann zum Beispiel bei der Reparatur von Verletzungen sehr nützlich sein, wenn die Wunde schnell verschlossen werden soll: Die Zelle erkennt die Verletzung anhand chemischer Signale und setzt sich dank der Cyto-Beben schnell in Bewegung.