Zellbiologie

Biophysiker entdecken eine neue Form der Zellteilung

Wissenschaftler haben eine Art der Zellteilung entdeckt, die durch "Proteinwellen" im Inneren von Zellen ausgelöst wird. Sie sehen hier Potenzial für den Einsatz in der synthetischen Biologie.

Videomikroskopie einer Zellteilung durch Proteinwellen in einem 0,05 x 0,06 Millimeter großen Bildausschnitt. Die Proteinwellen sind grün gefärbt, die Zellkerne rot. Die Wellen bewegen sich in Pfeilrichtung und teilen so die Zelle in zwei Tochterzellen. © Dr. Sven Flemming (modifiziert entnommen aus Flemming et al., 2020, PNAS)

Die Arbeitsgruppe um Professor Carsten Beta aus der Biologischen Physik der Universität Potsdam hat in einer Kooperation mit spanischen Wissenschaftlern eine neue Form der Zellteilung entdeckt, die durch "Proteinwellen" im Inneren von Zellen ausgelöst wird. Sie könnte künftig in der synthetischen Biologie, zum Beispiel bei künstlich hergestellten Zellen, zum Einsatz kommen. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher jetzt in PNAS.

Die Form von Zellen wird durch ein Proteingerüst, das Zytoskelett, bestimmt. Eines der wichtigsten Proteine des Zytoskeletts, das Aktin, bildet verzweigte Filamentstrukturen, die von der Zelle ständig verändert und umgebaut werden. Die Filamente können wachsen oder schrumpfen und so dafür sorgen, dass die Zelle ihre Form verändert. Auf diesem Mechanismus basiert zum Beispiel die Bewegung weißer Blutzellen, aber auch die von metastasierenden Tumorzellen.

Mithilfe der Molekulargenetik ist es möglich, das Zytoskelett unter dem Mikroskop sichtbar zu machen. Biophysiker der Universität Potsdam haben dies genutzt, um in Zellen der Amöbe Dictyostelium discoideum dynamische Veränderungen im Zytoskelett zu beobachten. Unter bestimmten Bedingungen kann es dazu kommen, dass sich Ansammlungen von Zytoskelettproteinen in Form einer Welle durch die Zelle bewegen. Gelangt eine solche Proteinwelle an den Rand der Zelle, so drückt sie die Membran, die die Zelle umgibt, nach außen. Die so hervorgerufene Verformung führt schließlich dazu, dass sich eine Tochterzelle in der Größe der Filamentwelle abtrennt.

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Mit Computersimulation Prozess verstehen
Bei der konventionellen Zellteilung, die auch als Mitose bezeichnet wird, werden Tochterzellen durch das Abschnüren mithilfe eines Proteinrings geformt. Dieser Prozess ist sehr komplex und erfordert eine hohe Koordination, zum Beispiel für die korrekte Positionierung des Proteinrings. Die nun von den Potsdamer Wissenschaftlern entdeckte Form der Zellteilung hat den Vorteil, dass sie im Labor vermutlich einfacher nachgebaut werden könnte. So gibt es gegenwärtig Bestrebungen, künstliche Zellen im Labor herzustellen, und gerade hierbei könnte die Zellteilung durch Proteinwellen eine vielversprechende Alternative darstellen.

Spanische Kooperationspartner des Potsdamer Teams von der Universitat Politècnica de Cataluny in Barcelona konnten dies in einer Computersimulation bereits zeigen. Sie entwickelten ein Modell, mit dessen Hilfe sie in simulierten Zellen die durch Wellen verursachte Zellteilung rekonstruieren konnten. Das hilft, die Voraussetzungen, die für diesen Prozess notwendig sind, besser zu verstehen.

Publikation:
Flemming, S., Font, F., Alonso, S., Beta, C.: How cortical waves drive fission of motile cells. PNAS (2020). https://doi.org/10.1073/pnas.1912428117

Quelle: Universität Potsdam

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