Die meisten biologischen Zellen haben einen festen Platz im Organismus. Allerdings können Zellen mobil werden und sich durch den Körper bewegen. Dies geschieht beispielsweise bei der Wundheilung oder wenn sich Tumorzellen unkontrolliert teilen und durch den Körper wandern. Mobile und stationäre Zellen unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht, auch im Zytoskelett.
Diese Struktur aus Proteinfilamenten macht die Zellen stabil, dehnbar und widerstandsfähig gegen äußere Kräfte. In diesem Zusammenhang spielen „Zwischenfilamente“ eine wichtige Rolle. Interessanterweise kommen in mobilen und stationären Zellen zwei verschiedene Arten von Zwischenfilamenten vor.
Forschern der Universität Göttingen und der ETH Zürich ist es gelungen, die mechanischen Eigenschaften dieser beiden Filamente genau zu messen und zu beschreiben. Dabei entdeckten sie Parallelen zu nichtbiologischen Materialien. Die Ergebnisse wurden in veröffentlicht Gegenstand.
Mit einer optischen Pinzette untersuchten die Wissenschaftler, wie sich die Filamente unter Spannung verhalten. Die Enden der Filamente befestigten sie an winzigen Kunststoffkügelchen, die sie dann mithilfe eines Laserstrahls kontrolliert bewegten. Dadurch wurden die beiden verschiedenen Arten von Filamenten, die als Vimentin und Keratin bekannt sind, gedehnt. Die Forscher erarbeiteten, welche Kräfte für die Dehnung notwendig waren und wie sich die verschiedenen Filamente verhielten, wenn sie mehrmals gedehnt wurden.
Überraschenderweise verhalten sich die beiden unterschiedlichen Filamente bei wiederholter Dehnung unterschiedlich: Vimentinfilamente werden weicher und behalten ihre Länge, Keratinfilamente werden länger und behalten ihre Steifheit. Die experimentellen Ergebnisse stimmen mit Computersimulationen molekularer Wechselwirkungen überein: In Vimentinfilamenten gehen die Forscher davon aus, dass sich Strukturen öffnen, ähnlich wie bei Gelen aus mehreren Komponenten; Bei Keratinfilamenten gehen sie davon aus, dass sich Strukturen wie bei Metallen gegeneinander verschieben.
Beide Mechanismen erklären, dass die Netzwerke aus Zwischenfilamenten im Zytoskelett sehr stark deformiert werden können, ohne Schaden zu nehmen. Allerdings erklärt sich dieser Schutzfaktor durch grundlegend unterschiedliche physikalische Prinzipien.
„Diese Ergebnisse erweitern unser Verständnis, warum verschiedene Zelltypen so unterschiedliche mechanische Eigenschaften haben“, erklärt Dr. Charlotta Lorenz, Erstautorin der Studie.
Professorin Sarah Köster vom Institut für Röntgenphysik der Universität Göttingen und Leiterin der Studie fügt hinzu: „Wir können von der Natur lernen und über die Gestaltung neuer, nachhaltiger und wandelbarer Materialien nachdenken, deren Eigenschaften entsprechend den Anforderungen ausgewählt oder gestaltet werden können.“ Exakt.“
Mehr Informationen:
Charlotta Lorenz et al., Keratinfilamentmechanik und Energiedissipation werden durch metallähnliche Plastizität bestimmt, Gegenstand (2023). DOI: 10.1016/j.matt.2023.04.014