Motoren mit Fernwirkung

Viele wichtige Zellfunktionen setzen voraus, dass die Zelle ihr Zytoskelett aktiv umbauen und Kräfte ausüben kann. Diese Fähigkeit basiert im Wesentlichen auf einem Netzwerk von Filamenten im Zellinneren, das im Zusammenspiel mit molekularen Motoren dynamisch umgebaut werden kann. Ein wichtiges Beispiel ist die mitotische Spindel, deren Spindelfasern bei der Zellteilung die Chromosomen auseinanderziehen. Wie aus dem Zusammenspiel einzelner Motoren und Filamente eine kollektive Dynamik entsteht, ist eine noch ungeklärte zentrale Frage. Der LMU-Biophysiker Erwin Frey hat nun mit seinem Team mithilfe eines theoretischen Modells gezeigt, dass sich Bewegung innerhalb eines Filamentnetzwerks auch über größere Entfernungen fortpflanzt, und den zugrundeliegenden Mechanismus identifiziert. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Biophysical Journal.

Für ihre Untersuchungen verwendeten die Wissenschaftler ein vereinfachtes Modell von Proteinfilamenten, sogenannten Mikrotubuli, und molekularen Motoren. Mikrotubuli besitzen ein Plus- und ein Minus-Ende, wobei die Enden im Modell entweder nach rechts oder nach links ausgerichtet sein können. Motorproteine koppeln jeweils zwei Mikrotubuli und „laufen“ dabei entlang der beiden Filamente – und zwar in Richtung des Plus-Endes. Weiterhin ist aus experimentellen Studien mit isolierten Komponenten bekannt, dass einzelne antiparallele Mikrotubuli, deren Plus-Enden in verschiedene Richtungen zeigen, durch die Motorbewegung aneinander vorbeigeschoben werden. Hingegen bleiben parallele Mikrotubuli statisch. „Intuitiv würde man also erwarten, dass in Bereichen mit vielen antiparallelen Filamenten die mittlere Geschwindigkeit der Filamente höher sein sollte als in Bereichen mit wenigen antiparallen Filamenten“, sagt Moritz Striebel, gemeinsam mit Isabella Graf Hauptautor der Studie. „Experimentelle Beobachtungen an der mitotischen Spindel und in-vitro Untersuchungen an Motor-Filament-Netzwerken haben dies jedoch eindeutig widerlegt.“

Mit ihrem neuen Modell haben die Wissenschaftler nun einen Mechanismus identifiziert, der die experimentellen Beobachtungen erklärt: „Wir haben festgestellt, dass die von den Motorproteinen erzeugten Kräfte sich durch das Netzwerk ausbreiten: Da alle Filamente durch Motoren miteinander verbunden sind, werden auch Filamente, die keine antiparallelen Kopplungen haben, durch die Bewegung der anderen mitgezogen“, sagt Striebel. Wie weit sich diese Kräfte im Filamentnetzwerk ausbreiten können, wird durch das Verhältnis zwischen dem viskosen Widerstand des Cytosols, der die Bewegung bremst, und den durch die Motorproteine erzeugten Kräften bestimmt. „Wir haben diese Parameter für die mitotische Spindel abgeschätzt und festgestellt, dass die charakteristische Länge, über die sich die Bewegung fortpflanzt, in der Größenordnung der Spindel – also mehrerer Filamentlängen – liegt. Für zelluläre Maßstäbe ist das eine große Distanz“, sagt Frey. „Generell ermöglicht unsere Arbeit wichtige neue Erkenntnisse zur Theorie aktiver Filamentnetze, die für das Verständnis der Funktionalität des Zytoskeletts unerlässlich sind.“Biophysical Journal