Biologische Zellen besitzen ein Stützskelett, das ihnen ihre mechanische Stabilität verleiht. Erstmals konnte nun ein Forscherteam die mechanischen Eigenschaften der so genannten Filamente bestimmen, die als Faserbündel für die Stabilität verantwortlich sind. Das Zytoskelett scheint demnach wesentlich flexibler zu sein, als bisher angenommen, wie die Wissenschaftler in „Nature Materials“ berichten. Die Ergebnisse könnten in der Nanotechnologie Verwendung finden.
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Aktin ist eines der am häufigsten auftretenden Proteine in der Zelle. Es bestimmt nicht nur die mechanischen Eigenschaften des Zytoskeletts, sondern ist auch maßgeblich bei der Zellteilung und Zellmigration beteiligt. Die parallele Anlagerung einzelner Filamente in Aktinbündel findet sich vor allem in Nerven- oder Hörzellen. Das Forscherteam um Professor Andreas Bausch von der TU München und Professor Erwin Frey von der LMU München untersuchten nun unter verschiedensten Bedingungen den Grad der Festigkeit und Steifheit von Aktinbündel. Mit einem neuartigen mikroskopischen Messverfahren ermittelten sie deren thermische Bewegung von wenigen Nanometern und wiesen nach, dass die Stabilität der einzelnen Bündel von ihrer Länge wie auch von den vorhandenen Vernetzermolekülen abhängt – einer Art Klebstoff, der die einzelnen zellulären Balkenstrukturen zusammenhält.
Vernetzung der Proteine
In den Gehörzellen beispielsweise sind die Aktinfilamente mit dem weichsten Protein vernetzt, während bei der Zellmigration Proteine verwendet werden, die sich wesentlich besser eignen, mechanisch steife Bündel zu erzeugen. Die mechanischen Eigenschaften der Bündel lassen sich dabei analog eines Papierstapels erläutern: liegen die einzelnen Seiten lose aufeinander, können sie aneinander vorbei gleiten. Der Papierstapel bleibt auch bei einer hohen Seitenanzahl beweglich und ist leicht verbiegbar. Gerät zwischen die einzelnen Seiten ein Klebstoff, dann ist der Papierstapel um ein vielfaches steifer und nur sehr schwer biegbar.
Waren bislang nur strukturelle Informationen über Zytoskelettstrukturen verfügbar, erlauben diese Messungen und theoretischen Analysen erstmals deren mechanische Eigenschaften in Abhängigkeit von den vorhandenen Proteinen zu bestimmen. Die Vernetzermoleküle – und damit die Festigkeit des Klebstoffs zwischen den einzelnen Strukturen – verhalten sich auf diesen Längenskalen demnach entschieden flexibler als bislang angenommen. Dies wirkt sich auf das Zytoskelett aus, das somit wesentlich anpassungsfähiger an seine Umgebung ist. Viele zelluläre Prozesse können nun besser nachvollzogen werden.
Auch im Bereich der Nanotechnologie lassen sich diese neuen Erkenntnisse verwerten wie beispielsweise bei der Herstellung neuer funktionaler Nanomaterialien. Nanoröhren könnten entsprechend den Anforderungen an die gewünschten Flexibilität gebündelt und damit die mechanischen Eigenschaften neuartiger Verbundstoffe oder mechanische bzw. biologische Sensorbauelemente genauestens designt werden.
(idw – Pressemitteilung Technische Universität München, 25.08.2006 – AHE)
