Die Mathematik der „Robustheit“ von Zellgrenzen

Forscher haben sowohl den mathematischen als auch den biologischen Mechanismus hinter den schroffen Strukturen an Zellgrenzen aufgedeckt, die in Geweben wie den Nieren und Nasendrüsen zu finden sind. Das Team hofft, dass ihre neuen Erkenntnisse dazu beitragen können, neue Wege zur Behandlung damit verbundener Pathologien zu entwickeln und bessere biologische Modelle für zukünftige Studien zu erstellen.

Unsere Zellen gibt es in allen möglichen Formen und Größen. Von den Neuronen, die sich über das zentrale Nervensystem erstrecken, bis hin zu den kugelförmigen weißen Blutkörperchen, die uns vor Infektionen schützen, sind Form und Struktur einer Zelle entscheidend für ihre Funktion in unserem Körper. Die Strukturen zwischen Zellen können ebenfalls variieren und in ähnlicher Weise einen entscheidenden Nutzen haben.

Eine solche Zwischenstruktur ist das „zerklüftete“ oder „wellige“ Muster, das häufig zwischen Epithelzellen zu finden ist, dem Zelltyp, der Ihre Haut und die meisten anderen Organe und Blutgefäße bedeckt. Unter dem Mikroskop können diese Muster ziemlich widerspenstig aussehen, aber für Professor Takashi Miura von der Medizinischen Fakultät der Kyushu-Universität ist es ein faszinierendes Thema.

„Es sieht fast aus wie die ineinandergreifenden Zähne eines Reißverschlusses. Forscher beschreiben diese Strukturen auch als ineinandergreifende Zellgrenzen“, erklärt Miura, der die in veröffentlichte Studie leitete iWissenschaft. „Viele Zellen haben ineinandergreifende Zellgrenzen. Zum Beispiel haben Nierenpodozyten, die als Filter zur Urinerzeugung fungieren, sehr komplizierte Verzahnungsmuster. Pflanzenblatt-Epidermiszellen sehen aus wie ein Puzzle, um die mechanische Belastung der Zellwände zu verringern.“

Eine kritische Funktion von Epithelzellen besteht darin, den Transport von Molekülen und Flüssigkeit zwischen den Zellgrenzen zu erleichtern, ein Prozess, der als parazellulärer Transport bekannt ist. Jüngste Arbeiten haben vorgeschlagen, dass die Verzahnung der Grenze die Transporteffizienz verbessert. Wie genau sich diese Strukturen bilden – und ihre physiologische Bedeutung – ist jedoch noch nicht vollständig verstanden.

„Wir begannen mit der Untersuchung der Verzahnung in MDCK-Zellen, einer Art von Epithelzellen, die ursprünglich aus Nieren stammen und häufig zur Untersuchung der Bildung von Epithelmustern verwendet werden“, erklärt Miura. „Wir haben etwas Unerwartetes gefunden, als wir das Zell-Zell-Grenzmuster mathematisch aufgeschlüsselt haben. Es stellt sich heraus, dass diese scheinbar zufälligen Strukturen überhaupt nicht zufällig sind und tatsächlich mathematisch skalieren. Mit anderen Worten, das Muster hat Selbstähnlichkeit – wenn Sie haben die Grenze vergrößert, sie hat die gleichen Eigenschaften wie das ursprüngliche Muster.

Das Team untersuchte dann etablierte mathematische Modelle, um zu verstehen, wie und warum die Verzahnungsmuster diese charakteristische Form haben. Nach einer Reihe von Arbeitshypothesen landeten sie bei einem Modell namens Edwards-Wilkinson-Modell.

„Das Edwards-Wilkinson-Modell wird verwendet, um eine zufällig wackelnde Grenze mit einer Funktion zur Minimierung der Länge dieser Grenze mathematisch zu simulieren. Die Skalierung der Zellgrenzen, die wir gefunden haben, passt in dieses Modell“, fährt Miura fort. „Danach war unser nächster Schritt, den molekularen Mechanismus zu finden, der für diese Dynamik verantwortlich ist.“

Das Team konzentrierte sich auf die Rolle von Actomyosin, dem Actin-Myosin-Proteinkomplex, der für fast alles verantwortlich ist, was bei zellulären Aktivitäten Kraft erfordert. Bei genauer Beobachtung identifizierten sie spezifische Myosinproteine, die sich an der gebogenen Zellgrenze ansiedeln würden.

Miura erklärt, dass ihre neuen Erkenntnisse ihnen ein besseres Verständnis der Grundlagen der Zelldynamik vermitteln und zu dem größeren Trend beitragen, die mathematischen Grundlagen der Biologie zu entwickeln.

„Mathematik war schon immer untrennbar mit den Bereichen Chemie und Physik verbunden. Die mathematische Zerlegung grundlegender Prozesse in der Biologie ist noch ein relativ neues Gebiet, das in den letzten 20 Jahren stark gewachsen ist“, schließt er. „Ich denke, es zeigt, dass das Gebiet der Biologie reift. Wenn wir dieses Gebiet weiterentwickeln, wird es uns neue Perspektiven auf die Grundlagen des Lebens und die Schönheit biologischer Muster geben.“