Unbekannter, für die Zellteilung von Bakterien wesentlicher Mechanismus aufgeklärt

Ein bisher unbekannter Mechanismus der Selbstorganisation aktiver Materie, der für die bakterielle Zellteilung wesentlich ist, folgt dem Motto „Sterben, um auszurichten“: Falsch ausgerichtete Filamente „sterben“ spontan und bilden eine Ringstruktur im Zentrum der sich teilenden Zelle. Die Studie, die von der Šarić-Gruppe am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) geleitet wurde, wurde veröffentlicht In NaturphysikDie Arbeit könnte bei der Entwicklung synthetischer selbstheilender Materialien Anwendung finden.

Wie organisiert sich Materie, die per Definition leblos ist, selbst und macht uns lebendig? Eines der Kennzeichen des Lebens, die Selbstorganisation, ist die spontane Bildung und der Zerfall biologisch aktiver Materie. Während Moleküle jedoch ständig ins Leben treten und es wieder verlassen, kann man sich fragen, woher sie „wissen“, wo, wann und wie sie sich zusammensetzen und wann sie aufhören und auseinanderfallen.

Forscher um Professorin Anđela Šarić und Doktorand Christian Vanhille Campos am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) gehen diesen Fragen im Zusammenhang mit der bakteriellen Zellteilung nach. Sie entwickelten ein Computermodell für die Zusammensetzung eines Proteins namens FtsZ, einem Beispiel für aktive Materie.

Während der Zellteilung ordnet sich FtsZ selbst zu einer Ringstruktur im Zentrum der sich teilenden Bakterienzelle an. Dieser FtsZ-Ring – der sogenannte bakterielle Teilungsring – hilft nachweislich bei der Bildung einer neuen „Wand“, die die Tochterzellen voneinander trennt. Wesentliche physikalische Aspekte der FtsZ-Selbstorganisation sind jedoch bis heute ungeklärt.

Nun haben sich Computermodellierer der Šarić-Gruppe mit Experimentalforschern der Gruppe von Séamus Holden an der University of Warwick, Großbritannien, und der Gruppe von Martin Loose am ISTA zusammengetan, um einen unerwarteten Selbstassemblierungsmechanismus aufzudecken. Ihre Computerarbeit zeigt, wie fehlausgerichtete FtsZ-Filamente reagieren, wenn sie auf ein Hindernis treffen.

Indem sie „sterben“ und sich neu zusammensetzen, begünstigen sie die Bildung des bakteriellen Teilungsrings, einer wohl ausgerichteten filamentartigen Struktur. Diese Erkenntnisse könnten bei der Entwicklung synthetischer selbstheilender Materialien Anwendung finden.

Laufbandtraining, die Anpassungsfähigkeit des molekularen Umsatzes

FtsZ bildet Proteinfilamente, die sich selbst zusammensetzen, indem sie in einem kontinuierlichen Wechsel wachsen und schrumpfen. Dieser Prozess, „Tretmühlenbetrieb“ genannt, ist das ständige Hinzufügen und Entfernen von Untereinheiten an gegenüberliegenden Filamentenden. Es wurde gezeigt, dass mehrere Proteine ​​in mehreren Lebensformen – wie Bakterien, Tieren oder Pflanzen – Tretmühlenbetrieb betreiben.

Bisher haben Wissenschaftler das Laufband als eine Form der Selbstansteuerung betrachtet und es als sich vorwärts bewegende Filamente modelliert. Solche Modelle können jedoch den ständigen Wechsel der Untereinheiten nicht erfassen und überschätzen die Kräfte, die durch die Anordnung der Filamente entstehen. Daher haben sich Anđela Šarić und ihr Team vorgenommen, zu modellieren, wie FtsZ-Untereinheiten interagieren und durch das Laufband spontan Filamente bilden.

„In unseren Zellen ist alles im ständigen Wandel. Deshalb müssen wir anfangen, biologisch aktive Materie aus der Perspektive des molekularen Wandels zu betrachten und in einer Weise, die sich an die äußere Umgebung anpasst“, sagt Šarić.

Sterbliche Filamente: Sterben, um sich auszurichten

Was sie fanden, war verblüffend. Im Gegensatz zu selbstangetriebenen Anordnungen, die die umgebenden Moleküle vorwärts schieben und einen „Stoß“ erzeugen, der über große Moleküldistanzen spürbar ist, stellten sie fest, dass fehlausgerichtete FtsZ-Filamente zu „sterben“ begannen, wenn sie auf ein Hindernis trafen.

„Aktive Materie, die aus sterblichen Filamenten besteht, nimmt Fehlausrichtungen nicht auf die leichte Schulter. Wenn ein Filament wächst und mit Hindernissen kollidiert, löst es sich auf und stirbt“, sagt Erstautor Vanhille Campos.

Šarić fügt hinzu: „Unser Modell zeigt, dass Laufbandanordnungen zu einer lokalen Heilung des aktiven Materials führen. Wenn fehlausgerichtete Filamente absterben, tragen sie zu einer besseren Gesamtanordnung bei.“

Indem sie die Zellgeometrie und Filamentkrümmung in ihr Modell integrierten, zeigten sie, wie das Absterben fehlausgerichteter FtsZ-Filamente zur Bildung des bakteriellen Teilungsrings beitrug.

Theoriegeleitete Forschung, bestätigt durch die Zusammenarbeit mit Experimentalphysikern

Angetrieben von den physikalischen Theorien molekularer Interaktionen trafen Šarić und ihr Team bald unabhängig voneinander auf zwei experimentelle Gruppen, die ihre Ergebnisse bestätigten. Auf einer vielseitigen und multidisziplinären Konferenz mit dem Titel „Physik trifft Biologie“ lernten sie Holden kennen, der an der Abbildung der Bildung bakterieller Ringe in lebenden Zellen arbeitete.

Bei diesem Treffen präsentierte Holden spannende experimentelle Daten, die zeigten, dass das Absterben und Entstehen von FtsZ-Filamenten für die Bildung des Teilungsrings wesentlich waren. Dies deutete darauf hin, dass das Laufband in diesem Prozess eine entscheidende Rolle spielte.

„Erfreulicherweise stellten wir fest, dass sich die FtsZ-Ringe in unseren Simulationen genauso verhielten wie die Teilungsringe von Bacillus subtilis, die Holdens Team abgebildet hatte“, sagt Vanhille Campos.

Ein ähnlicher Glücksfall war der Umzug vom University College London zum ISTA, der es Šarić und ihrer Gruppe ermöglichte, sich mit Martin Loose zusammenzutun, der an der Zusammenstellung von FtsZ-Filamenten in einem kontrollierten Versuchsaufbau in vitro gearbeitet hatte. Sie stellten fest, dass die Ergebnisse in vitro eng mit den Simulationen übereinstimmten und bestätigten die Computerergebnisse des Teams.

Šarić unterstreicht den Kooperationsgeist und die Synergien zwischen den drei Gruppen: „Wir verlassen alle unsere üblichen Forschungsfelder und gehen über das hinaus, was wir normalerweise tun. Wir diskutieren offen und teilen Daten, Ansichten und Wissen. Dadurch können wir Fragen beantworten, die wir allein nicht angehen können.“

Auf dem Weg zu synthetischen selbstheilenden Materialien

Die energiegetriebene Selbstorganisation von Materie ist ein fundamentaler Prozess in der Physik. Das Team um Šarić vermutet nun, dass es sich bei den FtsZ-Filamenten um eine andere Art aktiver Materie handelt, die ihre Energie eher in den Umsatz als in die Beweglichkeit investiert.

„In meiner Gruppe fragen wir, wie man aus nicht-lebendem Material lebendige Materie schaffen kann, die lebendig aussieht. So könnte unsere aktuelle Arbeit die Schaffung synthetischer selbstheilender Materialien oder synthetischer Zellen erleichtern“, sagt Šarić.

Im nächsten Schritt möchten Šarić und ihr Team ein Modell entwickeln, wie der bakterielle Teilungsring beim Aufbau einer Wand hilft, die die Zelle in zwei Hälften teilt.