Biomolekulares Material kann Kräfte erzeugen wie lebende Zellen

Wissenschaftler aus Göttingen und Amsterdam (Niederlande) haben ein biomolekulares Material mit außergewöhnlichen Eigenschaften entwickelt: Es kann Aktivität generieren, die der von lebenden Zellen stark ähnelt. Grundlage bildet ein Modell-System, das aus nur drei Komponenten – den Proteinen Aktin und Myosin sowie dem Energielieferanten ATP – besteht.

Diese können ähnliche interne Kräfte erzeugen, wie sie bei der Bewegung von Zellen entstehen. Die Forschungsarbeiten wurden unter der Leitung von Christoph F. Schmidt am III. Physikalischen Institut der Universität Göttingen und dem DFG Forschungszentrum Molekularphysiologie des Gehirns (CMPB) in Kooperation mit Experten der Freien Universität Amsterdam durchgeführt. Die Ergebnisse, die für Anwendungen in der Biotechnologie und der Pharmakologie von Bedeutung sind, veröffentlicht das Magazin „Science“ in seiner aktuellen Ausgabe vom 19. Januar 2007. Bewegung ist für Zellen von grundlegender Bedeutung.

So müssen beispielsweise Verbindungen zwischen Nervenzellen bis zu einem Meter im Körper wachsen, um sich mit anderen Zellen vernetzen zu können. Darüber hinaus ist sie notwendig für die Zellteilung oder den Transport von Botenstoffen innerhalb einer Zelle. Verantwortlich für diese Bewegungsabläufe ist das Skelett der Zelle – das so genannte Zytoskelett. Anders als das starre Knochengerüst des Menschen handelt es sich dabei um ein dynamisches Gebilde, das gleichzeitig die Stabilität und die Beweglichkeit der Zelle sicherstellt. Die molekularen Mechanismen, die der Dynamik des Zellskeletts zu Grunde liegen, sind vielschichtig und äußerst komplex.

Um diese physikalisch besser analysieren zu können, hat Prof. Schmidt zusammen mit Kollegen aus Amsterdam ein stark vereinfachtes Modell-System entwickelt: Es besteht aus den drei Hauptkomponenten, die in Zellen für Bewegung sorgen. Eine dieser Komponenten ist das Protein Aktin, das nicht nur in Zellen vorkommt, sondern als Hauptbestandteil von Muskelgewebe auch zuständig ist für die Muskelkontraktion. Innerhalb von Zellen dient Aktin vor allem der Stabilisierung der Zellmembran und der Zellbewegung. In Kombination mit dem Motorprotein Myosin und dem Energielieferanten Adenosintriphosphat (ATP) erzeugt es in dem von Prof. Schmidt und seinen Kollegen entwickelten Modell-System Kräfte und Bewegungen, wie sie auch in Zellen zu beobachten sind.

Entstanden ist so ein aktives biomolekulares Material mit ungewöhnlichen Eigenschaften. Ähnlich wie das Skelett von Zellen kann es seine mechanische Beschaffenheit verändern und die Steifigkeit fast hundertfach erhöhen. Zum Vergleich: Gummi, aus dem zum Beispiel Autoreifen hergestellt werden, besitzt diese Fähigkeit nicht.

Das vereinfachte Modell-System bietet den Wissenschaftler für die Forschung eine Reihe von Vorteilen: Alle Komponenten des Systems sind bekannt und können unter gut kontrollierten Bedingungen untersucht werden. So lassen sich viel genauer Daten erheben als dies in einer komplexen, lebenden Zelle möglich wäre. Diese detaillierten Informationen machen es möglich, physikalische Gesetzmäßigkeiten von so genannten „Nichtgleichgewichtsmaterialien“ zu erforschen. Nichtgleichgewicht im thermodynamischen Sinn bedeutet hier, dass ständig Energie verbraucht wird, was in „gewöhnlichen“ technischen Materialien wie Plastik oder Metallen nicht oder nur in einem zu vernachlässigenden Umfang der Fall ist. Darüber hinaus bieten die Forschungsergebnisse neue Ansatzpunkte für die Entwicklung „intelligenter“ Materialien, die für Anwendungen in der Biotechnologie oder der Pharmakologie von Interesse sind.

Originalveröffentlichung
Mizuno D, Tardin C, Schmidt CF, MacKintosh FC: Nonequilibrium mechanics of active cytoskeletal networks.

Science 316, 19 January 2007.

Kontaktadresse:
Prof. Dr. Christoph F. Schmidt
Georg-August-Universität Göttingen
Fakultät für Physik – III. Physikalisches Institut
Friedrich-Hund-Platz 1, 37077 Göttingen
Telefon (0551) 39-7740, Fax (0551) 39-7720
e-mail: c.f.schmidt@dpi.physik.uni-goettingen.de