Biophysik: Tröpfchen in Bewegung

Die Trennung von Öl und Wasser ist ein klassisches Beispiel: Phasenseparation, also die Trennung von Gemischen in ihre Bestandteile, ist in der Natur allgegenwärtig. Auch in der Zelle wurden biomolekulare Tröpfchen, die durch Phasentrennung von Proteinen und Nukleinsäuren entstehen, vielfach nachgewiesen. Sie spielen eine wichtige Rolle in der Zellbiologie, indem sie beispielsweise ein lokales Umfeld für chemische Reaktionen schaffen und für die Lokalisierung von Proteinen in der Zellmitte während der Zellteilung verantwortlich sind. Ein Team um den LMU-Physiker Professor Erwin Frey hat nun das Verhalten von Enzym-Tröpfchen untersucht und gezeigt, dass diese sich in der Zelle gerichtet bewegen können.

In einem thermodynamischen Gleichgewichtssystem wachsen große Tröpfchen auf Kosten kleinerer Tröpfchen, weil ein Zustand mit vielen Tröpfchen nicht stabil ist. In der Zelle dagegen werden, wie verschiedentlich gezeigt wurde, die Tröpfchen häufig durch Energiezufuhr aus dem Gleichgewicht gebracht. „Dies führt zu ganz neuartigen Erscheinungen“, sagt Frey. Mit seinem Team hat er die Mechanismen von Tröpfchen untersucht, die aus Enzymen bestehen, die chemische Reaktionen zwischen Proteinen katalysieren. Mithilfe eines Minimalmodells konnten die Forschenden zeigen, dass sich diese enzymatischen Tröpfchen gerichtet bewegen können und in abgeschlossenen Behältern gezielt in die Mitte des Behälters „wandern“.

„Diese Eigenschaft ähnelt dem Mechanismus, mit dem Protein-Tröpfchen die Zellmitte in Prokaryoten (Bakterien) finden und die korrekte Zellteilung kontrollieren können”, sagt Frey. Unter anderen Bedingungen können die Tröpfchen, abhängig von ihrer Größe, sich aber auch teilen und einen Zustand mit vielen Tröpfchen stabilisieren. „Das steht im Gegensatz zu der Dynamik, die man im thermischen Gleichgewicht erwarten würde.“, so Frey. „Unsere Ergebnisse unterstreichen die Rolle von chemischen Reaktionen bei der Tröpfchenbildung, was ein breites und sehr aktives Forschungsgebiet darstellt.“

Leonardo Demarchi, Andriy Goychuk, Ivan Maryshev, Erwin Frey: Enzyme-enriched condensates show self-propulsion, positioning, and coexistence. Physical Review Letters 2023