Forscher enthüllen einen Regulationsmechanismus, mit dem sich das Leben selbst steuert und organisiert

Innerhalb von Zellen bilden Molekültröpfchen definierte Kompartimente für chemische Reaktionen. Nicht nur klebrige Wechselwirkungen zwischen Molekülen, sondern auch dynamische Reaktionen können solche Tröpfchen bilden, wie Forscher des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPI-DS) und der Universität Oxford herausgefunden haben. Sie deckten einen neuen Regulationsmechanismus auf, durch den sich das Leben selbst steuert und organisiert.

Traditionell wurden zelluläre Organellen, die durch eine Membran definiert sind, als funktionelle Einheiten einer Zelle angesehen. In den letzten Jahren wurde auch gezeigt, dass Molekültröpfchen, die sich innerhalb der Zelle bilden, eine Mikroumgebung für wichtige Reaktionen bieten. Solche Tröpfchen sind nicht von einer Membran eingeschlossen und entstehen durch Phasentrennung. Daher bilden sie sich dynamisch und können entsprechend den Bedürfnissen der Zelle reguliert werden.

Nichtgleichgewichtsantriebe können Tröpfchenbildung induzieren

In der Abteilung für Physik lebender Materie wollen Geschäftsführer Ramin Golestanian und Mitarbeiter die Organisationsprinzipien lebender Materie aufdecken. „Die Bildung von Tröpfchen in Zellen wurde bisher attraktiven, klebrigen Wechselwirkungen zwischen Molekülen zugeschrieben – ähnlich wie sich Tröpfchen in nicht lebenden Gleichgewichtssystemen bilden, etwa Öltröpfchen in einer Vinaigrette“, erklärt Gruppenleiter Jaime Agudo-Canalejo am MPI-DS.

„Wir haben jetzt herausgefunden, dass der durch enzymatische Reaktionen hervorgerufene Nichtgleichgewichtsantrieb zur Bildung von enzymreichen Tröpfchen führen kann, auch ohne jegliche Klebrigkeit. Stattdessen werden die Enzyme durch die von ihnen erzeugten chemischen Flüsse gegeneinander gedrückt“, fährt er fort.

Die Forscher untersuchten diesen neuartigen Mechanismus, indem sie ein Modell formulierten, in dem die Wirkung einer enzymatischen Mehrkomponentenreaktion auf die Mikroumgebung beschrieben wird. Sie berücksichtigten auch den zugrunde liegenden Rückkopplungsmechanismus, aufgrund dessen die induzierte Phasentrennung wiederum die anfängliche enzymatische Reaktion beeinflussen kann.

„Wenn die enzymatische Aktivität zu intensiv wird, tritt eine Phasentrennung auf und wirkt, um sie zu reduzieren, wodurch eine neue Form der Autoregulation bereitgestellt wird“, sagt Matthew Cotton, Erstautor der Studie. Dieses komplexe Zusammenspiel molekularer Wechselwirkungen kann eine dynamische Umgebung für zelluläre Prozesse bereitstellen. Damit fügt das Modell dem komplexen Puzzle, wie sich das Leben selbst organisieren kann, ein weiteres Stück hinzu.

Die Studie wurde veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfung.