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05/22/2023 17:00

„Hightech“-Materialien aus der Natur

Thomas Richter Öffentlichkeitsarbeit
Georg-August-Universität Göttingen

    Forschungsteam der Universität Göttingen entdeckt überraschende Eigenschaften des Zellskeletts

    Die meisten biologischen Zellen haben einen festen Platz im Organismus. Zellen können aber auch in einen beweglichen Zustand wechseln und durch den Körper wandern. Das passiert zum Beispiel bei der Wundheilung und wenn Tumore Metastasen bilden. Bewegliche und stationäre Zellen unterscheiden sich unter anderem in ihrem Zellskelett. Diese Struktur aus Proteinfilamenten macht die Zellen stabil, dehnbar und widerstandsfähig gegen äußere Kräfte.

    Hier spielen sogenannte Intermediärfilamente eine wichtige Rolle. Davon findet man interessanterweise in beweglichen und stationären Zellen zwei verschiedene Typen. Forschenden der Universität Göttingen und der ETH Zürich ist es gelungen, die beiden Filamente mechanisch genau zu charakterisieren. Dabei entdeckten sie Parallelen zu nicht-biologischen Materialien. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Matter erschienen.

    Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchten mit optischen Pinzetten, wie sich die Filamente aus den Proteinen Vimentin und Keratin unter Zug verhalten. Sie befestigten die Enden der Filamente an kleinen Kunststoffkugeln, die sie dann mithilfe von Licht gezielt bewegten. So wurden die Filamente gestreckt. Die Forschenden bestimmten, welche Kräfte für die Streckung nötig waren und wie sich die Filamente verhielten, wenn sie mehrmals gestreckt wurden.

    Erstaunlicherweise verhalten sich die beiden verschiedenen Filamente bei wiederholter Streckung gegensätzlich: Vimentin-Filamente werden weicher und behalten ihre Länge, Keratin-Filamente werden länger und behalten ihre Steifigkeit. Die experimentellen Ergebnisse lassen sich mit Computersimulationen auf molekulare Wechselwirkungen zurückführen: Bei Vimentin-Filamenten gehen die Forschenden davon aus, dass sich Strukturen öffnen, ähnlich wie in Gelen aus mehreren Komponenten. In Keratin-Filamenten vermuten sie, dass sich Strukturen gegeneinander verschieben, wie bei Metallen. Beide Mechanismen erklären, dass sich die Netzwerke der Intermediärfilamente im Zellskelett sehr stark verformen lassen, ohne Schaden zu nehmen – allerdings basierend auf grundlegend unterschiedlicher Physik.

    „Die Ergebnisse erweitern unser Verständnis dafür, warum verschiedene Zellentypen so unterschiedliche mechanische Eigenschaften haben“, erklärt Dr. Charlotta Lorenz, Erstautorin der Studie. Prof. Dr. Sarah Köster vom Institut für Röntgenphysik, Leiterin der Studie, ergänzt: „Wir können von der Natur lernen und über das Design neuer, nachhaltiger und schaltbarer Materialien nachdenken, deren Eigenschaften genau zu den Anforderungen passen.“


    Contact for scientific information:

    Prof. Dr. Sarah Köster
    Georg-August-Universität Göttingen
    Institut für Röntgenphysik
    Friedrich-Hund-Platz 1, 37077 Göttingen
    Telefon: 0551 39-29429
    E-Mail: sarah.koester@uni-goettingen.de
    Internet: http://www.uni-goettingen.de/koesterlab

    Dr. Charlotta Lorenz
    ETH Zürich
    Weiche und Lebende Materialien
    Vladimir-Prelog-Weg 1–5/10, 8093 Zürich
    Telefon: +41 44 632 32 73
    E-Mail: charlotta.lorenz@mat.ethz.ch


    Original publication:

    Charlotta Lorenz, Johanna Forsting, Robert W. Style, Stefan Klumpp, Sarah Köster. Keratin filament mechanics and energy dissipation are determined by metal-like plasticity. Matter 2023. https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.04.014


    Images

    Mikroskopiebilder von biologischen Zellen: rechts oben (grün): Vimentin-Intermediärfilamente in Fibroblasten, links unten (rot): Keratin-Intermediärfilamente in Epithelzellen. Maßstab: 10 µm.
    Mikroskopiebilder von biologischen Zellen: rechts oben (grün): Vimentin-Intermediärfilamente in Fibr ...
    Ulrike Rölleke, Ruth Meyer
    Ulrike Rölleke (rechts oben, grün), Ruth Meyer (links unten, rot)/Universität Göttingen

    Sarah Köster (links) und Charlotta Lorenz (rechts) im Labor. Im Vordergrund ist die optische Falle zu sehen, an der die Experimente durchgeführt wurden.
    Sarah Köster (links) und Charlotta Lorenz (rechts) im Labor. Im Vordergrund ist die optische Falle z ...
    Anna Blob
    Anna Blob/Universität Göttingen


    Criteria of this press release:
    Journalists
    Biology, Physics / astronomy
    transregional, national
    Research results, Scientific Publications
    German


     

    Mikroskopiebilder von biologischen Zellen: rechts oben (grün): Vimentin-Intermediärfilamente in Fibroblasten, links unten (rot): Keratin-Intermediärfilamente in Epithelzellen. Maßstab: 10 µm.


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    Sarah Köster (links) und Charlotta Lorenz (rechts) im Labor. Im Vordergrund ist die optische Falle zu sehen, an der die Experimente durchgeführt wurden.


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