Membranen erfüllen in lebenden Zellen vielfältige Aufgaben: Sie trennen beispielsweise die Zellen von ihrer Umgebung und schützen sie so. Außerdem befördern sie mittels Transportproteinen die notwendigen Nährstoffe ins Innere. Membranen spielen auch eine Rolle, wenn Zellen zu Gewebe zusammenwachsen, sich durch Teilung vermehren oder sich bewegen.
Ein Forscherteam um Prof. Bart Jan Ravoo vom Institut für Organische Chemie der Universität Münster und Prof. Timo Betz vom Dritten Institut für Physik – Biophysik der Universität Göttingen hat nun erstmals beschrieben, wie Lebende Zellen können reversibel umgeformt werden, indem Licht auf die Zellmembran einwirkt. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.
In einem Laborexperiment gelang es dem Team, die Form roter Blutkörperchen zu verändern. Diese Zellen sind normalerweise scheibenförmig („Discozyten“), können aber auch eine stachelige Form mit Vorsprüngen auf der Oberfläche annehmen („Echinozyten“ oder „Klettzellen“). Für ihr Experiment nutzten die Forscher eine Art „molekularen Lichtschalter“, den sie in die Zellmembranen einbauten und der bewirkte, dass die Zellen die dornige Klettenzellform annahmen.
Bei Bestrahlung mit ultraviolettem Licht veränderten die Zellen innerhalb von Sekunden wieder ihre Form und sahen dann aus wie die flachen Diskozyten, die in der Natur vorkommen. Unter visuellem Licht nahmen sie wieder ihre Klettenzellform an. Dieser Vorgang wurde mehrmals wiederholt.
Grundlage dieser Formveränderung ist ein Molekül, das eine ähnliche Struktur wie die Moleküle in der Zellmembran aufweist und über eine zusätzliche Funktionseinheit verfügt, die auf Licht mit einer Formänderung reagiert: ein Azobenzol. „Da das Azobenzol hydrophob ist, also wasserabweisende Eigenschaften hat, haben wir zusätzlich eine hydrophile, wasserlösliche Seitenkette eingebaut“, erklärt Erstautor Dr. Fabian Höglsperger aus dem Team von Bart Jan Ravoo.
„Dies ist ein Design, das den Lipidmolekülen, die in der Natur in Zellmembranen vorkommen, sehr nahe kommt. Die Unterschiede zwischen dem Azobenzol-Derivat, das wir entworfen und hergestellt haben, und den in der Natur vorkommenden Lipidmolekülen sind gering – aber sie reichen aus, um eine zu verursachen.“ deutliche Veränderung der Zellmembran durch Licht.“
Dass sich die Zellen unter Einwirkung von ultraviolettem Licht umgehend in die flache Form verwandeln, erklärt das Team mit der veränderten Struktur des Azobenzol-Moleküls. Es besteht eine geringere Wahrscheinlichkeit, dass sich diese veränderte Molekülvariante in der Zellmembran befindet, und die Vorsprünge, die in einer Membran mit der Echinozytenform auftreten, werden flacher. Unter Einwirkung von visuellem Licht wird im Photoschalter die Rückreaktion ausgelöst und die Echinozytenform bildet sich zurück.
Bei der vorliegenden Studie handelt es sich um Grundlagenforschung. Aber wie Bart Jan Ravoo sagt: „Diese einfache, aber effiziente Methode könnte in Zukunft dabei helfen, die Reaktionen von Zellen auf ihre Umgebung – abhängig von ihrer Form – zu untersuchen oder mithilfe von Licht Prozesse wie Zellteilung und Zellmigration zu steuern.“
Die Formveränderung von Zellen in der Natur ist auch auf die Struktur der Membranen zurückzuführen. Die Doppelschicht aus Molekülen mit einem hydrophilen Kopf und einer hydrophoben Seitenkette ist so stabil, dass Moleküle nicht ohne weiteres passieren können. Gleichzeitig ist diese Schicht beweglich, um auf innere und äußere Reize reagieren zu können. „Wie so oft“, sagt Fabian Höglsperger, „ist diese Formveränderung ein Prozess, der in der Natur leicht abläuft, aber unter Laborbedingungen nur schwer zu kontrollieren ist.“
Die Studie brachte Forscher aus vier Instituten der Universitäten Münster und Göttingen zusammen – mit ihrer Expertise auf den Gebieten der synthetischen, theoretischen und physikalischen Chemie sowie der Biophysik und Zellbiologie. Zu den Methoden, die das Team bei seiner Arbeit verwendete, gehörten Spektroskopie und Mikroskopie. Die roten Blutkörperchen waren menschliche Zellen.
Mehr Informationen:
Fabian Höglsperger et al, Schnelles und reversibles optisches Schalten der Zellmembranfläche durch ein amphiphiles Azobenzol, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-39032-0