Physiker entwickeln neues Modell, das beschreibt, wie sich Filamente zu aktiven Schäumen zusammenfügen

Viele grundlegende Prozesse des Lebens und ihre synthetischen Pendants in der Nanotechnologie basieren auf der autonomen Anordnung einzelner Teilchen zu komplexen Mustern. LMU-Physiker Professor Erwin Frey, Lehrstuhl für Statistische und Biologische Physik an der LMU München und Mitglied des Exzellenzclusters ORIGINS, erforscht die grundlegenden Prinzipien dieser Selbstorganisation.

Mit seinem Team hat er nun ein theoretisches Modell entwickelt, das die Bildung von Mustern wie aktiven Schäumen aus einer Mischung von Proteinfilamenten und molekularen Motoren erklärt. Die Forscher haben gemeldet über ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Körperliche Überprüfung X.

Proteinfilamente, wie Mikrotubuli, und molekulare Motoren sind grundlegende Bestandteile des Zytoskeletts in vielen Zelltypen. Ein wichtiges Beispiel für den Aufbau und Umbau zellulärer Strukturen durch das Zusammenspiel von Filamenten und Motoren ist die mitotische Spindel, die für die korrekte Zellteilung verantwortlich ist.

Untersuchungen eines Teams der University of California in Santa Barbara anhand eines vereinfachten Modellsystems haben gezeigt, dass aus dem dynamischen Zusammenspiel zwischen Mikrotubuli und molekularen Motoren unterschiedliche Strukturen entstehen können.

Dazu gehören asterartige Mizellen und eine neuartige Phase, die als aktiver Schaum bezeichnet wird. Die Grundbausteine ​​dieses Schaums sind Mikrotubuli-Doppelschichten, in denen die Filamente in entgegengesetzte Richtungen zeigen. Diese Doppelschichten verbinden sich dann zu einem Netzwerk, das sich ständig neu anordnet.

„Der aktive Schaum entsteht, wenn die Anzahl der Mikrotubuli erhöht wird“, sagt Filippo De Luca, Erstautor der Studie. „Unsere Motivation war, den physikalischen Mechanismus dahinter zu verstehen.“

Der theoretische Physiker Frey entwickelte mit seinem Team ein mathematisches Modell, das die Musterbildung erklären kann. „Mithilfe numerischer Simulationen gelang es uns, die im Experiment beobachteten Muster sowie den durch die Mikrotubuli-Dichte gesteuerten Übergang von Mizellen zu aktivem Schaum nachzubilden“, erklärt Frey.

Bestellter Schaum

Die Interaktion zwischen Motoren und Mikrotubuli ist für die Musterbildung entscheidend. Ohne diese Motoren wären Mikrotubuli wie ein ungeordneter Haufen Mikadostäbchen, denen die für komplexe Zellmuster notwendige geordnete Struktur fehlt. Die Motoren verbinden Mikrotubuli paarweise und bewegen sich entlang der Filamente, wobei sie diese parallel ausrichten.

„Sie verbinden diese wie ein Reißverschluss miteinander, während sie sich entlang der Filamente bewegen“, sagt Frey. Dabei lassen sich die beiden Filamente aneinander vorbeischieben und immer wieder neu anordnen – eine wichtige Eigenschaft für die Bildung der Schäume.

Der Übergang von Mizellen zu Schäumen hängt von der Anzahl der Motoren und Mikrotubuli ab. Bei einer geringen Anzahl von Komponenten haben die Partikel viel Bewegungsfreiheit, sodass sich einzelne Mizellen bilden können.

„Erhöht sich jedoch die Zahl der Bausteine, entstehen bandartige Schichten und dann noch komplexere Strukturen wie Schäume“, erklärt Frey. „Diese Schäume haben eine geordnete Struktur mit einer Mischung aus Fünf-, Sechs- und Siebenecken und ähneln Bienenwaben.“ Anders als Bienenwaben ordnen sich aktive Schäume allerdings immer wieder neu an.

Das theoretische Modell lässt sich generell auf alle Arten von Filamenten und Motoren anwenden und eröffnet eine neue Perspektive auf aktive Materie. Laut den Autoren könnte es künftig auch dazu beitragen, bionanotechnologische Anwendungen voranzutreiben.