Ein Modell für die molekulare Selbstorganisation

Der Mechanismus der molekularen Selbstorganisation wurde von Forschenden des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS) in einem neuen Modell untersucht. In ihrer Studie simulierten sie, wie Umweltfaktoren wie die Temperatur die Größe von Öltröpfchen in elastischen Matrizen beeinflussen. Die Studie wird auch zum Verständnis der Tröpfchenbildung in Zellen beitragen, wo sich biologische Moleküle selbst in Kondensaten organisieren. Die vollständige Arbeit wurde kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift PNAS veröffentlicht.

In der Biologie ist eine genaue Regulierung des Zellinneren von entscheidender Bedeutung, um die Funktion biologischer Prozesse zu gewährleisten. Gleichzeitig können Zellen sehr komplexe Strukturen mit tausenden verschiedenen Arten von Molekülen und Millionen von Proteinkopien sein. Um diese enorme Komplexität zu organisieren, sind mehrere Mechanismen erforderlich, um subzelluläre Umgebungen zu schaffen, die sowohl definierte als auch dynamische Bedingungen bieten. So ermöglichen beispielsweise Zellorganellen eine räumliche Trennung durch die Abgrenzung über Membranen. Aber auch in der zellulären Matrix ist eine strukturierte Organisation von Biomolekülen erforderlich. Dort können sich spontan sogenannte biomolekulare Kondensate mit einer definierten molekularen Zusammensetzung bilden: Prominente Beispiele für dieses Phänomen sind Stressgranula oder Kondensate aus genetischem Material. Diese sind von elastischen Strukturelementen in der Zelle umgeben, wie beispielsweise dem Zytoskelett sowie dem Chromatin im Zellkern.

Die Frage ist: Wie werden solche Kondensate von den elastischen Strukturen beeinflusst und könnte die Zelle diese Interaktion nutzen, um die dynamische zelluläre Umgebung zu kontrollieren?

Ein Modell eröffnet den Zugang zum Reich der molekularen Organisation

Da es in der Praxis nicht möglich ist, das Zusammenspiel von Millionen von Molekülen in einer Zelle in Echtzeit im Detail zu verfolgen, nutzen die Forscher Modelle, die einzelne Facetten des Phänomens beschreiben. „Wir verwenden Öltröpfchen, um das Material im Zytosol darzustellen, und ein Polymernetz, um das biologische Gerüst zu imitieren“, erklärt Estefania Vidal-Henriquez, Erstautorin der Studie. „Die dynamische Entwicklung der Tröpfchengröße unter bestimmten Bedingungen gibt uns Aufschluss darüber, wie sich biologische Moleküle in einer zellulären Umgebung anordnen würden.“ Das Modell beschreibt die Verteilung der verschiedenen Tröpfchengrößen und ihre relative Häufigkeit. Darüber hinaus berücksichtigt es, dass die umgebende Matrix aufgebrochen werden könnte – was in etwa eine Neuanordnung des biologischen Gerüsts nachbildet. Das bedeutet, dass die biomolekularen Kondensate nicht durch die Maschenweite ihrer Umgebung begrenzt sind, sondern darüber hinauswachsen können.

Phasentrennung als Schlüsselmechanismus

Ein leistungsfähiges Konzept zur Erklärung des Wachstums solcher Kondensate ist die Phasentrennung. Kurz gesagt: Je nach den Bedingungen werden zwei Substanzen entweder vermischt oder existieren getrennt voneinander. In der Biologie können mehrere Faktoren die Phasentrennung beeinflussen, z. B. der pH-Wert, die Konzentration oder die Temperatur. In dem Modell verwendeten die Forscher eine Temperaturmodulation, um die Auswirkungen der Phasentrennung und der Tröpfchenbildung zu untersuchen. Wurde die Temperatur des Systems langsam gesenkt, beobachteten die Wissenschaftler*innen die spontane Bildung von Öltröpfchen, die mit der Zeit größer wurden, indem sie das sie umgebende Material absorbierten. Interessanterweise bilden sich bei einer schnelleren Abkühlgeschwindigkeit mehr, aber kleinere Tröpfchen. Die Geschwindigkeit, mit der sich ein äußerer Einflussfaktor ändert, spielt also eine entscheidende Rolle bei der Strukturbildung.

„Mit unserem Modell beschreiben wir, wie sich die molekulare Zusammensetzung auf der Mikroskala auf einer elastischen Matrix anordnen lässt“, fasst David Zwicker, Letztautor der Studie und Gruppenleiter am MPIDS, zusammen. In Bezug auf den Effekt der Temperaturmodulation fügt er hinzu: „Wir erwarten ein ähnliches Verhalten für biomolekulare Kondensate, die sich oft als Reaktion auf Änderungen der Temperatur, des pH-Werts oder der Proteinkonzentration in Zellen bilden.“ Das Modell bildet die Grundlage für die Beschreibung der Bildung mikroskopischer Muster sowohl im technischen als auch im biologischen Kontext.

Originalpublikation:

https://doi.org/10.1073/pnas.2102014118

https://www.ds.mpg.de/3787626/211001_caviatation