Forschung zeigt, dass selbstorganisierte Prozesse die Zellbewegung steuern

Der UPV/EHU-Forscher Ildefonso Martínez de la Fuente hat mithilfe modernster wissenschaftlicher Techniken eine umfassende Analyse der Bewegungsbahnen von 700 einzelnen Zellen durchgeführt und konnte so nachweisen, dass ihre Bewegungen auf einem gemeinsamen, selbstorganisierten Zusammenspiel praktisch aller physiologischen Prozesse beruhen, aus denen die Zelle besteht.

Diese multidisziplinäre Forschung, an der verschiedene Abteilungen der UPV/EHU beteiligt waren, hat zum ersten Mal gezeigt, dass die Zellbewegung durch einen grundlegenden selbstorganisierten Prozess gesteuert und reguliert wird, der in allen lebenden Zellen spontan entsteht.

Ildefonso Martínez de la Fuente, Forscher am Fachbereich Mathematik der UPV/EHU, erklärt: „Diese selbstorganisierten molekularen Mechanismen bewirken, dass die verschiedenen biochemisch-metabolischen Prozesse in der Zelle eine funktionale Einheit bilden, die als Ganzes vollständig integriert ist, und wandeln so Tausende physiologischer Prozesse in eine einzige Einheit um.“

„Es handelt sich um eine fundamentale Kraft, die dazu führt, dass in der Zelle ein integriertes Verhalten entsteht. Sie kann mit der selbstorganisierten Bewegung Tausender Stare verglichen werden, die bei ihrer Migration hochgeordnete, koordinierte Strukturen bilden, oder auch mit der Fähigkeit von Ameisen, durch selbstorganisiertes kollektives Verhalten einen Ameisenhaufen zu bauen“, sagte Martínez de la Fuente.

Der Autor betont, dass es bisher nie wissenschaftlich anerkannt worden sei, dass die Fortbewegungsbewegungen der Zelle durch systemische, selbstregulierende Prozesse gesteuert werden, die auf globaler Ebene der Zelle ablaufen.

„Diese wissenschaftliche Entdeckung verleiht dem Konzept der Zelle selbst und ihrer funktionellen Fähigkeiten eine neue Perspektive“, fügte er hinzu. „Die Kombination von Zellmigrationsstudien aus systemischer Sicht mit klassischen molekularen Studien könnte für die Entwicklung einer neuen Generation effizienter Therapien für Erkrankungen, die auf mangelhafte Zellmigration zurückzuführen sind, von entscheidender Bedeutung sein“, sagte Martínez de la Fuente.

Die Studie ist veröffentlicht im Journal PNAS Nexus.

Kombination experimenteller Daten mit quantitativer Analyse

Die Zellbewegung ist ein Schlüsselprozess, der für die Entwicklung und optimale Funktion des menschlichen Körpers von grundlegender Bedeutung ist. Zellen bewegen sich beispielsweise, wenn sich ein Organismus embryonal entwickelt, wenn eine Wunde heilt oder wenn Metastasen entstehen.

Fehler bei der mangelhaften Kontrolle der Zellbewegung können schwerwiegende Folgen bei schweren Erkrankungen haben, wie zum Beispiel bei Morbus Crohn, bestimmten angeborenen Hirnfehlern und verschiedenen immunologischen oder vaskulären Pathologien.

Im Laufe der Jahrzehnte haben wissenschaftliche Arbeiten es ermöglicht, verschiedene lokale Mechanismen zu identifizieren, die an der Zellbewegung beteiligt sind. Trotz dieser Bemühungen bleibt die wesentliche Frage unbeantwortet: Wie kontrollieren und steuern Zellen ihre Bewegungen?

„Die Entdeckung der molekularen Kräfte, die die Zellmigration steuern, stellt eine äußerst schwierige wissenschaftliche Herausforderung dar“, so der UPV/EHU-Forscher, „denn neben der Herstellung spezieller, komplexer Laborgeräte, die eigens für diese Forschung entwickelt wurden, war auch die Verwendung multidisziplinärer Techniken erforderlich, die die Kombination experimenteller Studien mit fortschrittlichen quantitativen Methoden ermöglichen.“

„Wir haben die Bewegungseigenschaften von 700 Zellen mithilfe von Techniken untersucht, die üblicherweise in der statistischen Mechanik verwendet werden, einem grundlegenden Teil der Physik. Zwei der von uns angewandten Methoden wurden vom Nobelpreisträger Albert Einstein entwickelt.

„Darüber hinaus haben wir in dieser Arbeit die Prinzipien der dissipativen Selbstorganisation – kohärent organisierte Strukturen – verwendet, die vom Nobelpreisträger Ilya Prigogine entwickelt wurden“, sagte Martínez de la Fuente.