3D-Formung mikroskopisch kleiner Membranen, die zellulären Prozessen zugrunde liegen

Zellmembranen gehen nahtlos zwischen unterschiedlichen 3D-Konfigurationen über. Es ist ein bemerkenswertes Merkmal, das für mehrere biologische Phänomene wie Zellteilung, Zellmobilität, Transport von Nährstoffen in Zellen und Virusinfektionen wesentlich ist. Forscher des Indian Institute of Science (IISc) und ihre Mitarbeiter haben kürzlich ein Experiment entwickelt, das Aufschluss über den Mechanismus gibt, durch den solche Prozesse in Echtzeit ablaufen könnten.

Die Forscher untersuchten kolloidale Membranen, bei denen es sich um mikrometerdicke Schichten aus ausgerichteten, stäbchenförmigen Partikeln handelt. Kolloidale Membranen bieten ein leichter zu untersuchendes System, da sie viele der gleichen Eigenschaften wie Zellmembranen aufweisen. Im Gegensatz zu einer Plastikfolie, wo alle Moleküle unbeweglich sind, sind Zellmembranen flüssige Folien, in denen jede Komponente frei diffundieren kann. „Dies ist eine Schlüsseleigenschaft von Zellmembranen, die in unserem verfügbar ist [colloidal membrane] System“, erklärt Prerna Sharma, außerordentliche Professorin am Institut für Physik des IISc und korrespondierende Autorin der in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Proceedings of the National Academy of Sciences.

Die kolloidalen Membranen wurden zusammengesetzt, indem eine Lösung aus stäbchenförmigen Viren mit zwei verschiedenen Längen hergestellt wurde: 1,2 Mikrometer und 0,88 Mikrometer. Die Forscher untersuchten, wie sich die Form der kolloidalen Membranen ändert, wenn man den Anteil an kurzen Stäbchen in der Lösung erhöht. „Ich habe mehrere Proben hergestellt, indem ich verschiedene Volumina der beiden Viren gemischt und sie dann unter einem Mikroskop beobachtet habe“, erklärt Ayantika Khanra, Ph.D. Student am Institut für Physik und Erstautor der Arbeit.

Wenn der Anteil der kurzen Stäbchen von 15 % auf 20–35 % erhöht wurde, gingen die Membranen von einer flachen scheibenartigen Form in eine sattelartige Form über. Im Laufe der Zeit begannen die Membranen miteinander zu verschmelzen und an Größe zuzunehmen. Sättel wurden nach ihrer Reihenfolge klassifiziert, das ist die Anzahl der Höhen und Tiefen, auf die man stößt, wenn man sich entlang der Sattelkante bewegt. Die Forscher beobachteten, dass die seitlich zusammenlaufenden Sättel einen größeren Sattel gleicher oder höherer Ordnung bildeten. Als sie jedoch in einem fast rechten Winkel von ihren Rändern weg verschmolzen, war die endgültige Konfiguration eine katenoidartige Form. Die Katenoide verschmolzen dann mit anderen Sätteln, wodurch immer komplexere Strukturen wie Trinoide und Vierer-Noiden entstanden.

Um das beobachtete Verhalten der Membranen zu erklären, haben die Forscher auch ein theoretisches Modell vorgeschlagen. Nach den Gesetzen der Thermodynamik tendieren alle physikalischen Systeme dazu, sich in Richtung Niedrigenergiekonfigurationen zu bewegen. Beispielsweise nimmt ein Wassertropfen eine Kugelform an, weil er eine geringere Energie hat. Für Membranen bedeutet dies, dass Formen mit kürzeren Kanten, wie beispielsweise eine flache Scheibe, bevorzugt werden. Eine weitere Eigenschaft, die bei der Definition der Membrankonfiguration eine Rolle spielt, ist der Gaußsche Krümmungsmodul. Eine Schlüsselerkenntnis der Studie war es zu zeigen, dass der Gaußsche Krümmungsmodul der Membranen zunimmt, wenn der Anteil an kurzen Stäbchen erhöht wird. Dies erklärt, warum das Hinzufügen von mehr kurzen Stäben die Membranen zu sattelähnlichen Formen trieb, die weniger Energie haben. Es erklärt auch eine andere Beobachtung aus ihrem Experiment, bei der Membranen niedriger Ordnung klein waren, während Membranen höherer Ordnung groß waren.

„Wir haben einen neuartigen Mechanismus zur Krümmungserzeugung von Fluidmembranen vorgeschlagen. Dieser Mechanismus der Krümmungsanpassung durch Änderung des Gaußschen Moduls könnte auch bei biologischen Membranen eine Rolle spielen“, sagt Sharma. Sie fügt hinzu, dass sie weiter untersuchen wollen, wie andere mikroskopische Veränderungen in den Membrankomponenten die großräumigen Eigenschaften von Membranen beeinflussen.