Elastizität von Zellbausteinen erklärt


Mikrotubuli sind stabförmige Proteinbausteine des Zytoskeletts - des Grundgerüsts biologischer Zellen. Sie kommen in verschiedenen Größen und Architekturen vor und spielen eine entscheidende Rolle für viele Zellfunktionen. Um die Funktionsweise dieser Strukturen zu erklären, muss man ihre elastischen Eigenschaften verstehen. Bisher wurde dafür ein Modell verwendet, bei dem man von homogenen, isotropen Stäben ausgeht, die einzig und allein durch ihre Biegefestigkeit charakterisiert werden. Man spricht vom "Wormlike Chain"-Modell.

Der theoretische Physiker Professor Erwin Frey hat nun zusammen mit Kollegen von der University of Texas und dem "European Molecular Biology Laboratory" in Heidelberg gezeigt, dass dieses Standardmodell das elastische Verhalten von Mikrotubuli nicht ausreichend erklärt. Den Wissenschaftlern gelang die Entwicklung eines neuen Modells, das die molekulare Struktur der Mikrotubuli berücksichtigt.

In Wirklichkeit handelt es sich bei Mikrotubuli nämlich um Röhren mit einem Durchmesser von etwa 25 Nanometern, die ihrerseits aus kleinen parallel angeordneten Stangen gebildet werden, so genannten Protofilamenten, die sich gegeneinander verschieben lassen. Zwischen diesen aus winzigen kugelförmigen Proteinen bestehenden Stangen treten molekulare Reibungs- und Federkräfte auf. Eine Verbiegung solcher Strukturen kann man sich in etwa wie das Biegen eines Buches vorstellen, bei dem die Seiten aneinander entlang gleiten.

Zur Beschreibung der elastischen Eigenschaften solcher hierarchischer molekularer Architekturen haben Frey und seine Mitarbeiter Heussinger und Bathe eine neue vereinheitlichte Theorie der "Wormlike Bundles" entwickelt, bei der die Reibungs- und Federkräfte berücksichtigt werden. Mikrotubuli repräsentieren dabei nur eine Variante aus einer breiten Klasse bündelartiger Strukturen, die sich mit der Theorie beschreiben lassen, zum Beispiel auch Kohlenstoff-Nanoröhren.

Die Erkenntnisse bilden auch eine Grundlage für die Konzeption und den Bau künstlicher biologischer Maschinen.

COMPAMED.de; Quelle: Ludwig-Maximilians-Universität München