Zellen sind komplexe Objekte mit einem anspruchsvollen Stoffwechsel . Ihrer evolutionären Vorfahren , die primordialen Zellen wurden lediglich einer Membran und ein paar Molekülen . Dies waren minimalistisch noch perfekt funktionierende Systeme .
So " zurück zu den Ursprüngen der Zelle " wurde zum Motto der Gruppe der TUM -Prof. Andreas Bausch, die Mitglied des Exzellenzclusters " Nanosystems Initiative Munich (NIM) " und seine internationalen Partner ist . Ihr Traum ist es, eine einfache Zellmodell mit einer bestimmten Funktion mit ein paar Grundzutaten erstellen. In diesem Sinne sind sie nach dem Prinzip der synthetischen Biologie , in denen einzelne Zellbausteine zusammengesetzt werden , um künstliche biologische Systeme mit neuen Eigenschaften zu schaffen.
Die Vision der Biophysiker war es, eine zellähnliche Modell mit biomechanischer Funktion erstellen. Es sollte in der Lage sich zu bewegen und verändern ihre Form , ohne äußere Einflüsse sein . Sie erklären, wie sie dieses Ziel erreicht in ihrer neuesten Publikation in Science .
Die magische Kugel
Das Modell der biophysicists 'eine Membranhülle , zwei verschiedene Arten von Biomolekülen und eine Art von Kraftstoff. Die Hülle , die auch als Vesikel genannt, besteht aus einem doppellagigen Lipidmembran analog natürlicher Zellmembranen hergestellt . Die Wissenschaftler füllten die vesicals mit Mikrotubuli , röhrenförmigen Komponenten des Zytoskeletts und Kinesin- Molekülen. In Zellen , funktionieren kinesins normalerweise als molekulare Motoren , dass die Verkehrszellbausteineentlang der Mikrotubuli . In dem Experiment wurden diese Motoren schieben dauerhaft Tubuli nebeneinander . Hierzu kinesins erforderlich , den Energieträger ATP , die ebenfalls in der Versuchsanordnung zur Verfügung stand.
Aus physikalischer Sicht die Mikrotubuli bilden eine zweidimensionale Flüssigkristall unter der Membran, die in einem permanenten Zustand der Bewegung ist. "Man kann die Flüssigkristallschicht vorstellen , wie Baumstämmen Driften auf der Oberfläche eines Sees ", erklärt Felix Keber , Hauptautor der Studie. " Wenn es zu lastet wird , richten sie sich parallel aber trotzdem nebeneinander treiben . "
Migration Fehler
Entscheidend für die Verformung des Kunstzellenkonstruktionist, dass auch in ihrem Ruhezustand ist die Flüssigkristall immer Fehler enthält . Mathematiker erklären, diese Art von Phänomenen über den Satz von Poincaré-Hopf , im übertragenen Sinne auch als die " haarige Kugel Problem." So wie man einen haarigen Kugel flach nicht kämmen , ohne einen Wirbel , wird es immer einige Mikrotubuli , die in einem regelmäßigen Muster flach an der Membranoberfläche nicht legen kann. In einer ganz bestimmten Geometrie - an bestimmten Stellen die Röhrchen wird etwas orthogonal zueinander ausgerichtet sein. Da die Mikrotubuli bei der Münchner Forscher sind in ständiger Bewegung nebeneinander durch die Aktivität der Kinesin -Moleküle , die Fehler auch zu migrieren. Erstaunlicherweise tun sie dies in einer sehr gleichmäßigen und periodischen Weise , oszillierend zwischen zwei festen Orientierungen .
Stachel Erweiterungen
Solange das Vesikel eine sphärische Form hat , müssen die Fehler keinen Einfluß auf die äußere Form der Membran. Sobald Wasser durch Osmose entfernt wird, beginnt jedoch die Vesikel in Form aufgrund der Bewegung innerhalb der Membran zu ändern. Wie das Vesikel verliert immer mehr Wasser, Spiel in den Membranformenin Spike -Erweiterungen , wie sie von einzelnen Zellen zur Fortbewegung verwendet .
Bei diesem Verfahren wird eine faszinierende Vielfalt von Formen und Dynamik ans Licht kommen . Was scheint zufällig auf den ersten Blick ist in der Tat, nach den Gesetzen der Physik. Dies ist, wie die internationalen Wissenschaftlern ist es gelungen, die Entschlüsselung eine Reihe von Grundprinzipien wie das periodische Verhalten der Bläschen. Diese Prinzipien, dienen wiederum als Basis für Voraussagen in anderen Systemen.
"Mit unseren synthetischen Biomolekülen Modell haben wir eine neuartige Option für die Entwicklung von minimal Zellmodelle erstellt ", erklärt Bausch . " Es ist ideal , um die Komplexität modular , um zelluläre Prozesse wie Zellmigration oder die Zellteilung kontrolliert rekonstruieren geeignet. Dass die künstlich geschaffene System kann umfassend von einer physischen Perspektive beschrieben werden , gibt uns Hoffnung , dass in der nächsten Schritte, die wir auch in der Lage , die Grundprinzipien hinter den vielfältigen Zelldeformationenaufzudecken . "