Biophysik: Verzögerte Zufuhr von Bausteinen erleichtert Assemblierung

Die Fähigkeit zur Selbstorganisation ist ein zentrales Merkmal biologischer Systeme und in der Natur weit verbreitet: Aus kleinen Bausteinen, die sich autonom zusammenfügen, entstehen dabei Makromoleküle wie der Zellkern, Viruskapside oder komplexe zelluläre Strukturen – häufig in kompartimentierten Umgebungen, also in voneinander abgegrenzten Teilräumen, die solche Prozesse gezielt erleichtern oder steuern. Ein besseres Verständnis der Prinzipien dieser Selbstmontage ist auch wichtig für neue Anwendungen in der synthetischen Biologie oder der Nanotechnologie. Die LMU-Biophysiker Severin Angerpointner, Richard Swiderski und Professor Erwin Frey haben nun ein neues theoretisches Modell entwickelt, das zeigt, dass die verzögerte Zufuhr von Bausteinen die Effektivität der Selbstmontage komplexer Strukturen in kompartimentierten Systemen verbessern kann.

„Intuitiv würde man erwarten, dass ein schneller Nachschub der Bausteine Strukturen am besten wachsen lässt“, sagt Frey. „Wir finden aber, dass das Gegenteil der Fall ist: Eine langsame Zufuhr aus einem Reservoir erhöht die Ausbeute und verkürzt die Zeit bis zur vollständigen Assemblierung.“ Wie das Modell zeigt, wird auf diese Weise die Bildung zu vieler „Assemblierungskeime“ gleichzeitig verhindert, die sich gegenseitig Ressourcen entziehen, und die Reifung bestehender Strukturen begünstigt: „Ist der Austausch zu schnell, wird nichts richtig fertig. Ist er zu langsam, verhungert das System“, sagt Frey. „Dazwischen liegt ein optimaler Verzögerungsbereich: Bereits begonnene Strukturen werden bevorzugt „gefüttert“ und können schnell und vollständig reifen.“

Der Effekt stellt ein allgemeines physikalisches Prinzip dar, betonen die Forschenden: Er tritt in verschiedenen Geometrien und Reaktionsschemata auf und erfordert kein Feintuning molekularer Bindungsenergien. „Unsere Arbeit liefert experimentell testbare Vorhersagen und Designprinzipien für synthetische und biologische Systeme und hat damit Relevanz über das konkrete Modell hinaus“, sagt Frey.

Severin Angerpointner, Richard Swiderski, Erwin Frey: Delay-facilitated self-assembly in compartmentalized systems. PNAS 2025