Unser Körper besteht aus Billionen verschiedener Zellen, von denen jede ihre eigene, einzigartige Funktion erfüllt, um uns am Leben zu erhalten. Wie bewegen sich Zellen in diesen äußerst komplizierten Systemen? Woher wissen sie, wohin sie gehen sollen? Und wie kam es, dass sie überhaupt so kompliziert wurden? Einfache, aber tiefgreifende Fragen wie diese stehen im Mittelpunkt der von Neugier getriebenen Grundlagenforschung, die sich auf die Grundprinzipien natürlicher Phänomene konzentriert. Ein wichtiges Beispiel ist der Prozess, durch den sich Zellen oder Organismen als Reaktion auf chemische Signale in ihrer Umgebung bewegen, auch Chemotaxis genannt.
Eine Gruppe von Forschern aus drei verschiedenen Forschungseinheiten am Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) kam zusammen, um grundlegende Fragen zur Chemotaxis zu beantworten, indem sie synthetische Tröpfchen erzeugten, um die Phänomene im Labor nachzuahmen und es ihnen zu ermöglichen, sie präzise zu isolieren, zu kontrollieren und zu untersuchen Phänomene.
Ihre Ergebnisse, die helfen, Fragen zu den Bewegungsprinzipien in einfachen biologischen Systemen zu beantworten, wurden im veröffentlicht Zeitschrift der American Chemical Society.
„Wir haben gezeigt, dass es möglich ist, Proteintröpfchen durch einfache chemische Wechselwirkungen wandern zu lassen“, sagt Alessandro Bevilacqua, Ph.D. Student in der Protein Engineering and Evolution Unit und Co-Erstautor der Arbeit. Professor Paola Laurino, Leiterin der Abteilung und leitende Autorin. Laurino fügt hinzu, dass sie „ein einfaches System geschaffen haben, das ein sehr komplexes Phänomen nachahmt und durch enzymatische Aktivität moduliert werden kann.“
Wie bewegen sich die Tröpfchen und was bestimmt ihre Richtung? Jeder grüne Tropfen ist dicht gepackt mit Proteinen sowie einem Enzym, das den pH-Wert innerhalb und um den Tropfen herum erhöht, was zur Antwort auf diese Fragen führen könnte. Bildnachweis: OIST
Spannungen an der Oberfläche
Auch wenn die Erzeugung von Tröpfchen vielleicht nicht nach der kompliziertesten Aufgabe klingt, ist es auf jeden Fall so, biologische Prozesse möglichst realitätsnah nachzuahmen und dabei alle Variablen genau unter Kontrolle zu halten. Die synthetischen, membranlosen Tröpfchen enthalten eine sehr hohe Konzentration des Rinderproteins BSA, um die beengten Verhältnisse in Zellen nachzuahmen, sowie Urease, ein Enzym, das den Abbau von Harnstoff in Ammoniak katalysiert.
Ammoniak ist basisch, hat also einen hohen pH-Wert. Während das Enzym nach und nach die Produktion von Ammoniak katalysiert, diffundiert es in die Lösung und erzeugt einen „Halo“ mit höherem pH-Wert um das Tröpfchen herum, wodurch Tröpfchen wiederum andere Tröpfchen erkennen und aufeinander zu wandern können.
Die Forscher fanden heraus, dass der pH-Gradient der Schlüssel zum Verständnis der Chemotaxis der Tröpfchen ist, da er den Marangoni-Effekt ermöglicht, der beschreibt, wie Moleküle von Bereichen mit hoher Oberflächenspannung zu Bereichen mit niedriger Oberflächenspannung fließen.
Die Oberflächenspannung ist das Maß für die Energie, die erforderlich ist, um Moleküle an der Oberfläche wie Klebstoff zusammenzuhalten. Wenn der pH-Wert steigt, wird dieser Kleber schwächer, wodurch sich Moleküle ausbreiten und die Oberflächenspannung sinkt, was wiederum die Bewegung der Moleküle erleichtert. Sie können dies erkennen, indem Sie an einem Ende einer Badewanne mit stillem Wasser Seife hinzufügen, die einen hohen pH-Wert hat: Aufgrund des Marangoni-Effekts fließt das Wasser mit Seife zum Ende hin.
Wenn zwei synthetische Tröpfchen nah genug beieinander sind, interagieren ihre Lichthöfe und erhöhen den pH-Wert in der Umgebung zwischen ihnen, wodurch sie sich gemeinsam bewegen. Da die Oberflächenspannung an den gegenüberliegenden Enden der Tröpfchen immer noch stark ist, behalten sie ihre Form, bis sich die Oberflächen berühren und die Kohäsionskräfte innerhalb der Tröpfchen die Oberflächenspannung überwinden, wodurch sie verschmelzen. Da größere Tröpfchen sowohl mehr Ammoniak produzieren als auch eine größere Oberfläche haben (was die Oberflächenspannung verringert), ziehen sie Tröpfchen an, die kleiner sind als sie selbst.
Numerische Modelle zeigen, was passiert, wenn die Halos zweier synthetischer Tröpfchen interagieren. Der pH-Wert im Raum zwischen den Tröpfchen ist höher (und die Oberflächenspannung niedriger), was dazu führt, dass die Tröpfchen aufeinander zu wandern und dabei ihre Kugelform beibehalten, da der pH-Wert innerhalb der Tröpfchen niedriger ist, bis sie sich treffen und verschmelzen. Größere Tröpfchen ziehen kleinere Tröpfchen an. Bildnachweis: OIST
Mitarbeit an alter Suppe und zukünftiger Biotechnologie
Dank der Entwicklung dieser Tröpfchen haben die Forscher Fortschritte bei der Beantwortung grundlegender Fragen der biologischen Bewegung erzielt – und dabei Einblicke in die gerichtete Bewegung der frühesten Lebensformen in der Ursuppe vor Milliarden von Jahren gewonnen sowie einen Vorsprung bei der Entwicklung neuer biologisch inspirierter Materialien.
Unser Wissen über das Leben, wie es vor Milliarden von Jahren aussah, ist bestenfalls unklar. Eine prominente Hypothese besagt, dass das Leben in den Ozeanen entstand, als sich organische Moleküle nach und nach zu einer „Ursuppe“ zusammenfügten und immer komplexer wurden – und dies könnte durch Chemotaxis durch den Marangoni-Effekt erleichtert worden sein.
„Im hypothetischen Ursprungsszenario des Lebens wäre es für Tröpfchen von Vorteil gewesen, über diesen Migrationsmechanismus zu verfügen“, wie Professor Laurino es ausdrückt. Diese Migration könnte die Bildung primitiver Stoffwechselwege ausgelöst haben, bei denen Enzyme eine Vielzahl von Substanzen katalysieren, die letztendlich einen chemischen Gradienten erzeugen, der die Tröpfchen zusammentreibt und so zu größeren und komplexeren Gemeinschaften führt.
Die Forschung weist auch in die Zukunft und liefert Hinweise auf neue Technologien. „Ein Beispiel ist die Schaffung responsiver Materialien, die von der Biologie inspiriert sind“, schlägt Alessandro Bevilacqua vor. „Wir haben gezeigt, wie einfache Tröpfchen dank eines chemischen Gradienten wandern können. Eine zukünftige Anwendung davon könnten Technologien sein, die chemische Gradienten erkennen oder darauf reagieren, zum Beispiel in der Mikrorobotik oder der Medikamentenabgabe.“
Das Projekt begann während der Coronavirus-Pandemie, als ein Mitglied der Protein Engineering and Evolution Unit zusammen mit einem Mitglied der Complex Fluids and Flows Unit in Quarantäne war. Die beiden begannen zu reden, und obwohl die beiden Einheiten aus zwei unterschiedlichen Bereichen stammen – Biochemie bzw. Mechanik –, entwickelte sich das Projekt parallel. Schließlich beteiligten sich Mitglieder der Mikro-/Bio-/Nanofluidik-Einheit mit anspruchsvollen Messungen der Oberflächenspannung der Tröpfchen am Projekt.
Das einzigartige nichtdisziplinäre Forschungsumfeld am OIST katalysierte die Zusammenarbeit. Wie Professor Laurino es ausdrückt: „Dieses Projekt hätte niemals existieren können, wenn wir nach Abteilungen getrennt gewesen wären. Es war keine einfache Zusammenarbeit, weil wir unser Fachgebiet auf sehr unterschiedliche Weise kommunizieren – aber die räumliche Nähe hat es deutlich einfacher gemacht.“
Alessandro Bevilacqua fügt hinzu: „Der Kaffeefaktor war sehr wichtig. Die Möglichkeit, mit anderen Teammitgliedern zusammenzusitzen, hat den Prozess viel schneller und produktiver gemacht.“ Ihre Zusammenarbeit endet hier nicht – vielmehr ist dieses Papier der Beginn einer fruchtbaren Partnerschaft zwischen den drei Einheiten.
„Wir sehen viele Synergien in unserer Arbeit und arbeiten effektiv und effizient zusammen. Ich sehe keinen Grund, warum wir aufhören sollten“, sagt Professor Laurino. Dank der gemeinsamen Anstrengungen der drei Einheiten wissen wir jetzt mehr über die winzigen Bewegungen des Lebens im kleinsten, frühesten und möglicherweise zukünftigen Maßstab.
Mehr Informationen:
Mirco Dindo et al., Chemotaktische Wechselwirkungen treiben die Migration membranloser aktiver Tröpfchen voran, Zeitschrift der American Chemical Society (2024). DOI: 10.1021/jacs.4c02823