Die Zellen unseres Körpers sind ständig mechanischen Kräften ausgesetzt, die entweder von außen einwirken oder von den Zellen selbst erzeugt werden. Auf solche mechanischen Reize reagieren zu können, ist eine unabdingbare Voraussetzung für eine Vielzahl biologischer Prozesse.
Wie es Zellen gelingt, mechanische Reize zu verarbeiten, ist jedoch kaum verstanden, da es an Techniken zur Untersuchung der sehr feinen mechanischen Signale in Zellen mangelt. Forscher der Universität Münster haben nun eine Methode entwickelt, um die Mechanik einzelner Moleküle zu verändern und so ihre Funktion innerhalb der Zellen zu untersuchen. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.
Das Team um den Zellbiologen Prof. Carsten Grashoff entwickelte eine Methode, mit der Proteine mithilfe eines lichtempfindlichen Moleküls verändert und durch kurze Lichtimpulse mechanisch gesteuert werden können. Auf diese Weise gelang es den Wissenschaftlern, einzelne Proteine mit hoher zeitlicher und räumlicher Kontrolle aufzubrechen und so ihre mechanische Bedeutung in den Zellen zu untersuchen.
Ihre ersten Experimente zeigten die Funktion zweier Moleküle, die nicht nur für die Adhäsion von Zellen wichtig sind, sondern auch im Verdacht stehen, bei einer Reihe von Krankheiten eine zentrale Rolle zu spielen. Das Talin-Protein ist für die Übertragung mechanischer Kräfte bei der Adhäsion von Zellen im Bindegewebe unerlässlich – ein Prozess, der beispielsweise bei der Zellmigration von großer Bedeutung ist. Im Gegensatz dazu ist das Desmoplakin-Protein wichtig für die Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Belastungen in den Zell-Zell-Verbindungen, die in Epithelgeweben wie der Haut auftreten.
Mechanische Reize werden, wie viele andere Signale auch, in Zellen letztlich auf der Ebene einzelner Proteine verarbeitet. Obwohl Forscher in den letzten Jahren eine Reihe von Molekülen identifiziert haben, die in Zellen direkt mechanischen Kräften ausgesetzt sind, blieb oft unklar, wie wichtig die mechanischen Beiträge einzelner Proteine bei diesen oft sehr komplexen zellbiologischen Prozessen sind.
Den Experimenten von Grashoffs Team gelang es, eine lichtempfindliche Verbindung zu nutzen, die zwar hohen mechanischen Kräften standhält, bei Lichteinstrahlung jedoch zusammenbricht. Vergleichbare lichtempfindliche Proteine kommen in Pflanzen vor und regulieren dort die Ausrichtung der Pflanze zum Licht. Durch den Einbau dieser Sollbruchstellen in bestimmte Gene (Talin, Desmoplakin) mithilfe molekularbiologischer Techniken stellte das Team Zellen des Bindegewebes und der Haut her, die mit einem Laserstrahl auf der Ebene einzelner Proteine kontrolliert werden konnten. Die Modulation und Analyse der lebenden Zellen, abgeleitet aus Mauszellkulturmodellen, wurde mit Methoden der Fluoreszenzmikroskopie erreicht.
„Zusammengenommen liefern diese Ergebnisse Hinweise darauf, wie die mechanischen Eigenschaften bestimmter Zellstrukturen durch einzelne Proteine gesteuert werden können“, sagt Grashoff.
Da die entwickelte Technik genetisch kodiert ist und daher an jeder Stelle in das Genom eingefügt werden kann, hoffen die Forscher, dass sie eine breite Anwendbarkeit bei der Untersuchung der mechanobiologischen Eigenschaften vieler anderer Proteine in lebenden Zellen, Modellorganismen und Krankheitsmodellen hat.
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Tanmay Sadhanasatish et al.: Ein molekularer optomechanischer Ansatz zeigt die funktionelle Relevanz der Kraftübertragung über Talin und Desmoplakin. Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg3347