Das erste Beispiel für zelluläres Origami bei Protisten entdeckt

Durch die Kombination aus tiefer Neugier und „Freizeitbiologie“ haben Stanford-Forscher entdeckt, wie eine einfache Zelle bemerkenswert komplexes Verhalten hervorbringt, und das ganz ohne Nervensystem. Es ist Origami, sagen sie.

„Es gibt einige Dinge im Leben, die man beobachten und dann nie mehr vergessen kann“, sagte Manu Prakash, außerordentlicher Professor für Bioingenieurwesen an der Stanford University, und rief ein Video seiner neuesten Faszination auf, den Einzeller Lacrymaria olor, einen freilebenden Protisten, den er zufällig beim Spielen mit seinem Papier entdeckte. Faltfernrohr„Es ist … einfach … hypnotisierend.“

„Von dem Moment an, als Manu sie mir zeigte, war ich von dieser Zelle einfach fasziniert“, sagte Eliott Flaum, ein Doktorand im „neugiergetriebenen“ Prakash-Labor. Prakash und Flaum verbrachten die letzten sieben Jahre damit, jede Bewegung von Lacrymaria olor zu studieren und haben ein Papier über ihre Arbeit in Wissenschaft.

„Als ich das erste Mal mit einer Fluoreszenzmikroskopie zurückkam, war es einfach atemberaubend“, sagte Flaum. „Das Bild ist in der Zeitung.“

Das Video, das Prakash sich angesehen hat, zeigt, warum dieser Organismus viel mehr ist als nur ein hübsches Bild: Eine einzelne tropfenförmige Zelle schwimmt in einem Tropfen Teichwasser. Im Nu ragt ein langer, dünner „Hals“ aus dem bauchigen unteren Ende hervor. Und so geht es immer weiter. Und so geht es immer weiter. Dann zieht sich der Hals genauso schnell wieder zurück, als wäre nichts geschehen.

Innerhalb von Sekunden wuchs aus einer Zelle, die von Kopf bis Schwanz nur 40 Mikrometer groß war, ein Hals, der 1.500 Mikrometer oder mehr in die Welt hinausragte. Das entspricht einem 1,80 Meter großen Menschen, der seinen Kopf mehr als 60 Meter weit streckt. Und das alles aus einer Zelle ohne Nervensystem.

„Es ist ein unglaublich komplexes Verhalten“, sagte Prakash mit einem Lächeln.

Form ist Funktion

L. olor ist vertreten in Wissenschaft weil Prakash und Flaum in diesem Verhalten einen neuen geometrischen Mechanismus entdeckt haben, der in der Biologie bisher unbekannt war. Und sie sind die ersten, die erklären, wie eine so einfache Zelle eine so unglaubliche Morphodynamik, wunderschöne Faltung und Entfaltung – auch Origami genannt – im Maßstab einer einzelnen Zelle immer wieder und ohne Fehler hervorbringen kann.

Es ist Geometrie. Das Verhalten von L. olor ist in seiner zytoskelettalen Struktur kodiert, genau wie menschliches Verhalten in neuronalen Schaltkreisen kodiert ist.

„Dies ist das erste Beispiel für zelluläres Origami“, sagte Prakash. „Wir denken darüber nach, es Lacrygami zu nennen.“

Genauer gesagt handelt es sich dabei um eine Untergruppe des traditionellen Origami, das als „Origami mit gebogenen Falten“ bekannt ist. Es basiert auf einer Struktur aus dünnen, spiralförmigen Mikrotubuli – Rippen, die sich innerhalb der Zellmembran winden. Diese Mikrotubuli-Rippen sind von einer zarten, durchsichtigen Membran umhüllt, die das Faltenmuster der Spitzen in einer Reihe von Berg- und Talfalten definiert.

Prakash und Flaum verwendeten Transmissionselektronenmikroskopie und andere hochmoderne Untersuchungstechniken, um zu zeigen, dass es tatsächlich 15 dieser steifen, spiralförmigen Mikrotubuli-Bänder gibt, die die Zellmembran von L. olor – ein Zytoskelett – umhüllen. Diese Tubuli rollen sich auf und ab, was zu langen Vor- und Rücksprüngen führt, und nisten sich wieder in sich selbst ein wie der Balg eines komprimierten spiralförmigen Akkordeons. Die hauchdünne Membran faltet sich in der Zelle in sauberen, klar definierten Falten.

„Wenn man Falten auf diese Weise auf dem spiralförmigen Winkel speichert, kann man eine unendliche Menge an Material speichern“, erklärte Flaum. „Die Biologie hat das herausgefunden.“

Geometrie ist Schicksal

Die Eleganz liegt in der Arithmetik. Es ist mathematisch unmöglich, dass sich diese Struktur auf irgendeine andere Weise entfaltet – und umgekehrt kann sie sich nur auf eine Weise zusammenziehen. Was Prakash vielleicht noch mehr beeindruckt, ist die Robustheit der Architektur. Während seines Lebens wird L. olor diese Projektion und das Zurückziehen 50.000 Mal fehlerfrei durchführen, sagte er. „L. olor ist durch seine Geometrie dazu verpflichtet, sich auf diese besondere Weise zu falten und zu entfalten.“

Der Schlüssel liegt in einem wenig erforschten mathematischen Phänomen, das genau an dem Punkt auftritt, an dem sich die Rippen verdrehen und die gefaltete Membran sich zu entfalten beginnt. Es ist eine Singularität – ein Punkt, an dem die Struktur gleichzeitig gefaltet und entfaltet ist. Sie ist beides und keines von beidem – singulär.

Prakash greift ein Stück Papier, faltet es zu einem Kegel und zieht dann an einer Ecke des Papiers, um zu demonstrieren, wie diese Singularität (D-Kegel genannt) sich in einer sauberen Linie über das Blatt bewegt. Und indem er an der Ecke drückt, zeigt er, wie die Singularität auf genau demselben Weg zu ihrer Ausgangsposition zurückgeht.

„Es entfaltet und faltet sich jedes Mal an dieser Singularität und fungiert als Regler. Dies ist das erste Mal, dass ein geometrischer Regler des Verhaltens in einer lebenden Zelle beschrieben wurde“, erklärte Prakash.

Freizeitbiologie

Ein ständiger roter Faden, der sich durch die Arbeit von Prakashs Labor zieht, ist ein tiefes Gefühl des Staunens und der Verspieltheit, das zu der energischen Neugier führt, die notwendig ist, um eine solche Idee so lange zu verfolgen. Es ist, um es mit Prakashs Worten auszudrücken, Wissenschaft der alten Schule. Er nennt es auch Freizeitbiologie.

Um seine Inspiration zu demonstrieren, zeigte Prakash einen Stammbaum anderer Einzeller, die er zu untersuchen ausgewählt hat. Zwar könne keiner das, was L. olor kann, sagte er. Aber diese komplizierten Geometrien gibt es in Tausenden von Formen. Schön? Sicher, aber jede davon verbirgt auch wunderbare und ungeschriebene Regeln im Ärmel.

„Wir begannen mit einem Rätsel“, erklärte Prakash mit der Ernsthaftigkeit, die ein Wissenschaftler aufbringen kann. „Ellie und ich stellten eine ganz einfache Frage: Woher kommt dieses Material? Und wohin geht es? Als unseren Spielplatz wählten wir Tree of Life. Sieben Jahre später sind wir hier.“

Was praktische Anwendungen betrifft, malt sich der Ingenieur Prakash bereits eine neue Ära einsetzbarer „lebender Maschinen“ im Mikromaßstab aus, die alles verändern könnten, von Weltraumteleskopen bis hin zu Miniatur-Operationsrobotern im Operationssaal.

Prakash ist außerdem Senior Fellow am Stanford Woods Institute for the Environment, außerordentlicher Professor (auf Ehrenamt) für Biologie und Ozeane, Mitglied von Stanford Bio-X, der Wu Tsai Human Performance Alliance, des Maternal & Child Health Research Institute und des Wu Tsai Neurosciences Institute.