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Physikalisches Kolloquium
Kolloquium der Theor. Physik
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Im Sog der Lockstoffe - Wie Zellen die Richtung wechseln

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Viele Zellen höherer Organismen sind in der Lage, sich gezielt fortzubewegen. Gelotst werden sie dabei von chemischen Lockstoffen. Einem Team um Dr. Doris Heinrich von der Fakultät für Physik der LMU und dem „Center for NanoScience“ (CeNS) der LMU gelang es nun, einen neuen Versuchsaufbau zu entwickeln, mit dem ein ganzes Zellensemble schnell wechselnden Lockstoffgradienten ausgesetzt werden kann. „Mit diesem neuen experimentellen Ansatz können wir die räumliche und zeitliche Reaktion lebender Zellen auf Richtungsänderungen untersuchen und so einen völlig neuen Einblick in die zugrunde liegenden Signalwege gewinnen“, berichtet Heinrich. Dies hat auch hohe medizinische Relevanz, da die gezielte Fortbewegung von Zellen etwa für das embryonale Wachstum oder für die Immunabwehr essenziell ist. Die Wissenschaftler konnten sogar zeigen, dass es möglich ist, eine „chemotaktische Falle“ zu bauen, die Zellen durch sehr schnelle Änderungen des Lockstoffgradienten immobilisiert.

Die gerichtete Bewegung der Zellen höherer Organismen erfolgt mithilfe der sogenannten Chemotaxis, das heißt die Zelle detektiert einen chemischen Lockstoff, an dem sie sich ausrichtet. „Wir beschäftigen uns mit der Frage, wie sich Zellen, die zunächst gerichtet einem Lockstoff folgen, in andere Richtungen umorientieren. Dazu entwickelten wir einen sogenannten mikrofluidischen Gradientengenerator, mit dem der Lockstoffgradient schnell so geändert werden kann, dass die Zellen wiederholt in entgegen gesetzte Richtungen gelotst werden“, erzählt Börn Meier, der Erstautor der Studie.

Die Zelle folgt dem Lockstoff mit einer kriechenden Bewegung, die darauf basiert, dass ein Netzwerk aus Aktin-Filamenten innerhalb der Zelle so strukturiert und umgebaut wird, dass Ausstülpungen – sogenannte Pseudopodien – in Bewegungsrichtung der Zelle ausgebildet werden. Zahlreiche Studien zeigen bereits, dass diese Aktin-Reorganisation durch die intrazelluläre Umverteilung bestimmter Signalmoleküle kontrolliert wird. „Die zugrunde liegenden zeitlichen und räumlichen Verteilungen biochemischer Mechanismen aufzuspüren ist allerdings schwierig, denn man benötigt dafür eine sehr präzise Kontrolle über den Lockstoffgradienten“, erklärt Heinrich. Der neue Gradientengenerator ermöglicht es nun, einen tieferen Einblick in die zellulären Signalwege zu erhalten. Die Wissenschaftler beschreiben zwei unterschiedliche Wendetechniken lebender Zellen: Abhängig von den jeweiligen Bedingungen können Zellen entweder „U-Turn“-artig umdrehen, oder sich umstrukturieren, indem sie das Aktinskelett an der bisherigen Zellfront ab- und auf der gegenüberliegenden Seite wieder aufbauen. An diesem Umbau sind viele Helferproteine beteiligt, an deren räumlicher und zeitlicher Umverteilung die Wissenschaftler interessiert sind.

Die neue Technik macht es sogar möglich, die Gradientenfelder so schnell zu variieren, dass die Zelle auf den Umschaltvorgang zwar noch durch interne Signale reagieren kann, es aber nicht mehr schafft, sich auch in die jeweilige Richtung zu bewegen – und in ihrer Position verharrt. Die Zelle wird somit in eine chemotaktische Falle gelockt.

In einem weiteren Versuch wurden die Zellen nicht nur wechselnden Lockstoffgradienten ausgesetzt, sondern gleichzeitig medizinische Wirkstoffe zugegeben, um deren Einfluss auf die chemotaktischen Signalkaskaden an lebenden Zellen zu testen. Dabei konnten die Wissenschaftler an einem speziellen Beispiel zeigen, dass der Einfluss eines Inhibitors das Muster der gerichteten Bewegung der Zellen deutlich verändert. „Die Einsichten in komplexe intrazelluläre Signalwege, die das neue Setup erlaubt, sind für viele andere Forschungsgebiete von großer Relevanz, etwa in der Zell- und Entwicklungsbiologie oder in der Biochemie und Medizin“, betont Heinrich.

lmu, 2011-07-18