Membranen: Das Dosentelefon der Zelle?
Für Zellen ist ein schneller Informationsaustausch lebensnotwendig. Mittels Computersimulationen fanden Wissenschaftler nun heraus, dass sich Informationen in Form von Kraftimpulsen, in der Zellmembran über bestimmte Distanzen mit Schallgeschwindigkeit ausbreiten. Die Forscher aus Kolumbien und Deutschland vermuten, dass die Membranen diese Kraftimpulse wie ein Dosentelefon innerhalb der Zelle weiterleiten.
Membranen sind unerlässliche Bestandteile aller Organismen: Sie bilden die Hülle für die lebenswichtigen Moleküle innerhalb der menschlichen Zelle. Diese Hülle besteht aus unterschiedlichen Molekülen wie einer doppelten Lipidschicht und Proteinen, die in dieser Lipidschicht eingebettet sind. Dieser Membranaufbau schützt die Zelle und sorgt für einen gut kontrollierten Informationsaustausch zwischen dem Inneren und Äußeren der Zelle. Als Schutzhülle sind die Membranen aber auch verschiedenen molekularen Kräften ausgesetzt: So werden sie konstant gezogen oder eingedrückt, während die Zellen sich teilen, bewegen oder absterben.
Eine große Frage in der Wissenschaft war bisher, ob sich Informationen über mechanische Krafteinwirkungen innerhalb der Membranen ausbreiten wie Schallwellen. In einer jetzt publizierten Studie gingen Camilo Aponte-Santamaría von der Universidad de los Andes in Bogotá (Kolumbien) und die beiden HITS Wissenschaftler Jan Brunken und Frauke Gräter (Molecular Biomechanics Gruppe am HITS) dieser Frage genauer nach. Mit Computersimulationen fanden sie heraus, dass sich die auf die Membranen einwirkenden Kräfte mit einer sehr hohen Geschwindigkeit, ähnlich der Schallgeschwindigkeit, ausbreiten.
Die genaue Nachverfolgung dieser Kräfte stellte die Forschung bislang vor große Probleme. Aponte-Santamaría, Brunken und Gräter entwickelten deshalb eine maßgeschneiderte Analysemethode zur Kraftberechnung. Damit konnten die Wissenschaftler zeigen, dass sich die Kräfte binnen einem Millionstel einer Millionstelsekunde ausbreiten und sehr viele Biomoleküle in der Membran erreichen können, bevor sie sich abschwächen.
Ein schneller Informationsaustausch zwischen verschiedenen Zellen ist für das Gewebe, egal ob Gehirn oder Muskel, lebenswichtig. Die Wissenschaftler nehmen an, dass mit dieser Art der Informationsweiterleitung die Membran als eine Art Dosentelefon der Zelle fungiert. Wie und warum die Membran tatsächlich auf diese Weise Information ultraschnell weiterleitet, wird in zukünftigen experimentellen Studien geprüft.
Publikation:
Camilo Aponte-Santamaría, Jan Brunken, and Frauke Gräter. Stress propagation through biological lipid bilayers in silico. JACS communication. DOI: 10.1021/jacs.7b04724. (2017).
Wissenschaftlicher Kontakt:
Dr. Camilo Aponte-Santamaría
Gruppenleiter
Max Planck Tandem Group in Computational Biophysics
Universidad de los Andes
Bogotá, Colombia
E-mail: ca.aponte@uniandes.edu.co
Prof. Dr. Frauke Gräter
Gruppenleiterin „Molecular Biomechanics“
Heidelberger Institut für Theoretische Studien
Schloss-Wolfsbrunnenweg 35
69118 Heidelberg
E-mail: frauke.graeter@h-its.org
Über das HITS
Das HITS (Heidelberger Institut für Theoretische Studien) wurde 2010 von dem Physiker und SAP-Mitbegründer Klaus Tschira (1940-2015) und der Klaus Tschira Stiftung als privates, gemeinnütziges Forschungsinstitut gegründet. Es betreibt Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften, der Mathematik und der Informatik. Zu den Hauptforschungsrichtungen zählen komplexe Simulationen auf verschiedenen Skalen, Datenwissenschaft und -analyse sowie die Entwicklung rechnergestützter Tools für die Forschung. Die Anwendungsfelder reichen von der Molekularbiologie bis zur Astrophysik. Ein wesentliches Merkmal des Instituts ist die Interdisziplinarität, die in zahlreichen gruppen- und disziplinübergreifenden Projekten umgesetzt wird. Die Grundfinanzierung des HITS wird von der Klaus Tschira Stiftung bereitgestellt.