Zellkernteilung: Das Gasdruckfeder-Prinzip

10. März 2015
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Ein aus der Physik altbekanntes Prinzip ist auch bei der Zellkernteilung relevant: Schwach gebundene Proteine erzeugen zwischen den überlappenden Mikrotubuli beim Auseinandergleiten einen wachsenden Gegendruck. Dadurch wird die Verschiebung gestoppt.

In Zellen beobachtet man während der Zellteilung, dass die überlappenden Mikrotubuli zunächst von sogenannten Motorproteinen gegeneinander verschoben werden, dann jedoch abstoppen, bevor sie sich voneinander trennen. Bisher konnten die Wissenschaftler den Mechanismus nur bruchstückhaft erklären, durch den die Bewegung gebremst und die Verschiebung gestoppt wird.

Wie bei einer Gasdruckfeder

Eine internationale Wissenschaftlergruppe um Professor Dr. Stefan Diez, Heisenberg-Professor am ZIK B CUBE – Center for Molecular Bioengineering der TU Dresden, hat in Kooperation mit Wissenschaftlern aus den Niederlanden (Universität Wageningen und AMOLF) nun zeigen können, dass ein aus der Physik altbekanntes Prinzip auch in der Biologie relevant ist: Schwach bindende Proteine, die sich bevorzugt zwischen überlappenden Mikrotubuli anlagern, verhalten sich wie diffundierende Gaspartikel in einem geschlossenen Behälter. Jene Gaspartikel reagieren auf eine Volumenverkleinerung mit einem ansteigenden Druck. Nach diesem einfachen Prinzip, das man sowohl vom idealen Gasgesetz als auch von haushaltsüblichen Fahrradpumpen kennt, erzeugen auch die schwach gebundenen Proteine zwischen den überlappenden Mikrotubuli beim Auseinandergleiten einen immer größer werdenden Gegendruck. Dadurch wird die Bewegung gebremst und die Verschiebung gestoppt. Dieser biomolekulare Mechanismus entspricht dem einer Gasdruckfeder.

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Die Expansion komprimierter, schwach gebundener Proteine (grün) führt zur einer Kraft, welche die gerichtete Bewegung zweier überlappender Mikrotubuli gegeneinander hervorruft. © Prof. Dr. Stefan Diez

Die Wissenschaftler konnten diesen Mechanismus in Experiment und Theorie nachweisen. Darüber hinaus gelang es ihnen, die entstehenden Kräfte unter Verwendung einer optischen Pinzette direkt zu vermessen. Abschließend konnten sie zeigen, dass der gasähnliche Druck der schwach bindenden Proteine ausreichend ist, um die Kraft der Motorproteine zu kompensieren und das Auseinanderfallen der überlappenden Mikrotubuli zu verhindern.

Originalpublikation:

Diffusible crosslinkers generate directed forces in microtubule networks
Zdenek Lansky et al.; Cell, doi: 10.1016/j.cell.2015.01.051; 2015

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Forschung, Medizin

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