Wettbewerbsvorteil durch schnelle Eliminierung toter Materie in begrenzten Zellverbänden

Biologische Organismen und Gewebe weisen einen konstanten Umsatz an Zellmaterial auf; zum Beispiel zur Aufrechterhaltung der Gewebeintegrität, bei Tumorwachstum oder zum Überleben von Bakteriengemeinschaften. Intuitiv dominieren Zelltypen, die sich in einer bestimmten Umgebung am schnellsten vermehren oder seltener sterben können, den begrenzten Raum innerhalb eines Organismus oder Kompartiments. „Allerdings bleiben diese traditionellen Faktoren nicht die einzigen, die über die Wettkampftauglichkeit entscheiden, wenn man auch die Trümmer absterbender Zellen berücksichtigt“, sagt Ramin Golestanian, geschäftsführender Direktor am MPI-DS. Die Forscher der Abteilung für Physik lebender Materie zeigten in ihrer Studie, dass Zelltypen, die nach dem Tod schneller ausgeräumt werden, einen Vorteil haben, der sie zur dominierenden Spezies machen kann.

Die Wissenschaftler erstellten ein Modell, um wachsende Zellen zu simulieren, die einen begrenzten Raum füllen, bis sich mechanischer Druck aufbaut und sie einen Zustand erreichen, in dem sich Teilung und Zelltod die Waage halten. „Wir wollten herausfinden, welchen Einfluss tote Materie auf das Wachstum eines lebenden Systems hat. Dazu haben wir ein einfaches Modell entworfen, das als eines der ersten die mechanischen Effekte toter Zellen explizit berücksichtigt“, erklärt Yoav Pollack, Erstautor von sagt die Studie.

„Dann haben wir zwei Zelltypen analysiert, die sich ausschließlich in der Entfernungsrate toter Materie unterscheiden, und den Anteil beider Populationen über die Zeit verfolgt. Zu unserer Begeisterung beobachteten wir einen deutlichen Einfluss auf die Gesamtfitness, was zu einem Vorteil für den Zelltyp führte, dessen Totsubstanz abgestorben ist Zellen werden schneller entfernt“, erklärt er.

Platz schaffen für neue Zellen

Auf den ersten Blick scheint die Entfernung von totem Material von der Bildung neuer Zellen getrennt zu sein – oder sogar kontraproduktiv, da es Raum für die Invasion anderer Arten eröffnet. Das Modell zeigt jedoch, dass durch die schnellere Entfernung von Trümmern die Menge an lebenden im Vergleich zu toten Zellen zunimmt. Insgesamt führt dies zu einem reaktionsschnelleren Wachstum, wenn einer Art Möglichkeiten zur Expansion geboten werden. Während dies in einer homogenen Zellpopulation des gleichen Typs von geringer Bedeutung ist, macht es einen Unterschied an der Grenzfläche, wo verschiedene Zelltypen um Platz konkurrieren. Die Population mit der höheren Räumungsrate hat eher eine lebende Zelle in der Nähe zur Verfügung, um frei gewordenen Raum durch Proliferation zu füllen. Auf diese Weise verschafft der höhere Anteil an lebenden Zellen einen Wettbewerbsvorteil.

„Vereinfacht könnte man sagen, dass das Ausräumen und Neubesetzen von Flächen vorteilhafter ist als das Festhalten an bereits besetzten Flächen“, sagt Gruppenleiter Philip Bittihn. „In bestimmten Fällen könnte dieser neue Beitrag zum Wettbewerb auch erklären, warum sich biologische Gewebe und Organismen entwickelt haben, um spezifische Zellentfernungsmechanismen zu verwenden, die im Vergleich zu den Alternativen effizienter sind.“

Da dieser Effekt nun erstmals beschrieben wurde, eröffnet er mehrere neue Untersuchungsrichtungen, beispielsweise die Analyse, inwieweit er im Verhältnis zu anderen Fitnessfaktoren zur Gesamtfitness beiträgt. Das Modell zeigt jedoch, dass sich das Aufräumen nach sich selbst für die Zellen tatsächlich auszahlt.

Die Forschung wurde in veröffentlicht Neue Zeitschrift für Physik.

Bereitgestellt vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation