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Zelluläre Prozesse sind sehr komplex und werden seit langem in interdisziplinären Projekten erforscht, unter anderem von Biologen und Physikern. Mit einem der zahlreichen Teilaspekte rund um das „Leben“ einer Zelle befasst sich auch die Arbeitsgruppe von Erwin Frey, Professor für Statistische und Biologische Physik an der Ludwig-Maximilians-Universität München und Mitglied des Exzellenzclusters „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM). Gemeinsam mit seinen Mitarbeitern Anna Melbinger und Louis Reese untersucht der Wissenschaftler, wie sogenannte molekulare Motoren mit dem Gerüst der Zelle zusammenarbeiten, dem Zytoskelett. Das Zytoskelett besteht aus vielen faserförmigen Strukturen, den Mikrotubuli. Die Motoren oder Motorproteine bewegen sich entlang dieser Filamente und transportieren zum einen große Makromoleküle durch die Zelle. Zum anderen können sie, am Ende der Mikrotubuli sitzend, als Signal- oder Regulationsmoleküle wirken. Anhand eines theoretischen Modells, das „Stauphänomene“ berücksichtigt, konnten die Biophysiker nun zeigen, dass ein Stau von Motorproteinen auf einem Mikrotubulus die Abbauaktivität der Motoren gravierend beeinflußt. (Biophysical Journal, 2. November 2011)
Frey und seine Mitarbeiter erforschen Motoren, die während der Zellteilung unter anderem die Länge von Mikrotubuli steuern. Zellen, denen diese Motoren fehlen, können sich nicht einwandfrei teilen. Warum kann ein einziges fehlendes Molekül, das Motormolekül, so gravierende Auswirkungen nach sich ziehen? Diese Frage stellten sich die Biophysiker und studierten die detaillierte Funktionsweise des Moleküls sowie seine möglichen Aufgaben während der Zellteilung. Der Schwerpunkt lag dabei auf dem Zusammenspiel von Mikrotubuli und den Motoren, die Mikrotubuli abbauen (depolymerisieren). Dazu benutzten Frey und seine Mitarbeiter ein theoretisches Modell, das „Stauphänomene“ berücksichtigt.
Anhand dieses Modells konnten die Biophysiker zeigen, dass ein Stau von Motorproteinen auf einem Mikrotubulus die Abbauaktivität der Motoren gravierend beeinflußt. Entscheidend ist dabei, wie viele Motorproteine sich in der umgebenden Lösung (dem Zytosol) befinden. Ab einer bestimmten kritischen Konzentration von Motoren bilden sich Staus an der Spitze des Mikrotubulus. Sobald ein Motor dort seine Abbauarbeit getan hat, diffundiert er mit dem abgelösten Mikrotubulus-Baustein in die Lösung. Durch den Stau an Motorproteinen ist aber sofort Nachschub zur Stelle. So ist dann für die Abbaurate alleine die Geschwindigkeit entscheidend, mit der das einzelne Motorprotein den Mikrotubulus abbaut.
Ganz anders sieht es aus, wenn deutlich weniger Motorproteine in der Lösung vorhanden sind. In diesem Fall wird der Nachschub an Motorproteinen zum begrenzenden Faktor. Die Abbaugeschwindigkeit richtet sich dann nur noch danach, wie schnell und wie viel Nachschub an Motoren zum Mikrotubulus-Ende kommt. Somit entwickelt das Kollektiv der Motorproteine bei niedriger Konzentration eine ganz andere Abbaudynamik als bei höherer Konzentration. „Aufgrund bestehender Experimente wussten wir, dass diese kollektiven Effekte im System wichtig sind. Aber überrascht hat uns, dass die Eigenschaften der einzelnen Moleküle dabei zurücktreten“ berichtet Louis Reese, Erstautor der Studie.
Mit ihren Berechnungen tragen die Münchner Physiker dazu bei, dass bestehende Experimente zum Abbau der Mikrotubuli besser verstanden werden. Ein interessantes Phänomen, das seit einiger Zeit diskutiert wird, ist zudem, dass die Abbaugeschwindigkeit von der Länge der Mikrotubuli abhängt. Grund dafür ist die Ansammlung von Motoren entlang des Filaments: Je länger der Mikrotubulus, desto mehr Motorproteine können daran binden. Das theoretische Modell der Münchner Physiker erklärt die grundlegenden funktionellen Eigenschaften in diesem System. Auf diese Weise setzt es die existierenden experimentellen Ergebnisse in einen größeren Zusammenhang.
„Mit dieser Arbeit spielen wir Theoretiker den Ball zurück an die Experimentatoren.“, meint Erwin Frey. „Solche minimalen funktionellen Einheiten zu identifizieren und zu begreifen ist essentiell für das Verständnis von biologischen Systemen. Dabei spielt die Zelle mit ihren zahlreichen Funktionen und Bausteinen die zentrale Rolle. Sie zu verstehen ist ein erklärtes Ziel von Biologie und Biophysik“.
Die Forschungsarbeit wurde unterstützt aus Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (SFB 863) und des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM).
Publikation:
Crowding of molecular motors determines microtubule depolymerization
Louis Reese, Anna Melbinger, and Erwin Frey
Biophysical Journal, Volume 101, Issue 9, 2190-2200, 2. November 2011
DOI: 10.1016/j.bpj.2011.09.009
Ansprechpartner:
Prof. Dr. Erwin Frey
Ludwig-Maxmilians-Universität (LMU) München
Lehrstuhl für Statistische und Biologische Physik
Arnold-Sommerfeld-Center für Theoretische Physik, Center for NanoScience (CeNS) und Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich (NIM)
Tel.: 089 / 2180 – 4537
Fax: 089 / 2180 – 4538
E-Mail: frey@lmu.de
Criteria of this press release:
Journalists
Physics / astronomy
transregional, national
Research results
German
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