Die Natur ist voller Muster. Darunter sind Fliesenmuster, die das nachahmen, was Sie auf einem gefliesten Badezimmerboden sehen würden, gekennzeichnet durch sowohl Fliesen als auch Schnittstellen – wie z. B. Mörtel – dazwischen. In der Natur ist die Färbung einer Giraffe ein Beispiel für ein Fliesenmuster. Aber wodurch bilden sich diese natürlichen Muster?
Eine neue Studie der University of Arizona verwendet Bakterien, um zu verstehen, wie Kacheln und Schnittstellen entstehen. Die Ergebnisse haben Auswirkungen auf das Verständnis, wie sich komplexes, vielzelliges Leben auf der Erde entwickelt haben könnte und wie neue Biomaterialien aus biologischen Quellen geschaffen werden könnten.
In vielen biologischen Systemen sind Kachelmuster funktionell wichtig. Beispielsweise haben die Flügel einer Fliege Kacheln und Schnittstellen. Venen, die für Stabilität sorgen und Nerven enthalten, sind Schnittstellen, die einen Flügel in kleinere Kacheln aufteilen. Und beim Menschen enthält die Netzhaut auf der Rückseite des inneren Auges Zellen, die wie ein Mosaik aus Kacheln angeordnet sind, um zu verarbeiten, was sich in unserem Sichtfeld befindet.
Viel Forschung hat sich mit der Frage befasst, wie solche Muster durch biochemische Wechselwirkungen etabliert werden können. Muster können aber auch durch mechanische Wechselwirkungen aufgebaut werden. Dieser Prozess ist nicht so gut verstanden.
Ein neues Papier veröffentlicht in Natur wirft ein neues Licht auf die mechanische Musterbildung. Es wurde von der ehemaligen UArizona-Postdoktorandin Honesty Kim geleitet. Ingmar Riedel-Kruse, außerordentlicher Professor an der Fakultät für Molekular- und Zellbiologie der UArizona, ist der Hauptautor der Veröffentlichung.
Das Riedel-Kruse-Labor verwendete in Zusammenarbeit mit Forschern der Abteilung für Angewandte Mathematik des Massachusetts Institute of Technology Bakterien, um zu modellieren, wie Kachelmuster durch mechanische Wechselwirkungen entstehen können.
Das Team entwickelte verschiedene adhäsive oder klebrige Moleküle, die auf der Oberfläche von Bakterienzellen platziert wurden und es verschiedenen Zelltypen ermöglichten, selektiv aneinander zu haften. Als diese veränderten Bakterien dann auf eine Petrischale gegeben wurden, begannen die Bakterien aufeinander zu wachsen. Immer wenn zwei verschiedene Bakterienarten aufeinandertrafen, bildete sich entweder eine Grenzfläche oder nicht, je nachdem, ob ihre Oberflächenadhäsionsmoleküle komplementär waren oder nicht. Grenzflächen waren typischerweise einen halben Millimeter breit und drei bis zehn Millimeter lang und enthielten Millionen von Bakterien. Viele solcher Schnittstellen führten dann zu einer Vielzahl komplexer Kachelmuster – abhängig von den anfänglichen Bakterienplatzierungen auf der Petrischale.
Die Autoren untersuchten dann, welche Arten von Kachelmustern generiert werden könnten und ob eine zugrunde liegende Logik existiert. Sie fanden heraus, dass nur vier verschiedene Klebstoffmoleküle ausreichen, um jedes mögliche Fliesenmuster herzustellen. Kachelmuster können in Form, Größe und Position der Schnittstellen variieren.
„Wir haben dies mathematisch mit dem berühmten Vier-Farben-Kartensatz bewiesen, der besagt, dass nicht mehr als vier Farben benötigt werden, um sicherzustellen, dass zwei sich berührende Länder auf einer politischen Karte nicht dieselbe Farbe haben“, sagte Riedel-Kruse.
Die Forscher generierten auf diese Weise viele verschiedene Muster, darunter eines, das Schnittstellen verwendete, um „U of A“ für die University of Arizona zu buchstabieren.
Die im Papier vorgeschlagenen Ideen können letztendlich zu praktischen Anwendungen führen.
Wissenschaftler könnten gemusterte Biomaterialien mit gewünschten Eigenschaften herstellen, die aus Lebewesen hergestellt werden und schneller abgebaut werden können als synthetische Materialien wie Kunststoff. Beispielsweise könnten sie ein Material mit einem bestimmten Muster erstellen, das steuern könnte, wie leicht Flüssigkeit über die Materialoberfläche fließt.
„Mit der Logik dieser Forschung können Form, Struktur, Elastizität und sogar die Reaktion von Flüssigkeiten – in das Material eindringen oder abgestoßen werden – gesteuert werden“, sagte Riedel-Kruse. „Oder denken Sie an mikrobielle Biofabriken zur Herstellung von Medikamenten und anderen Chemikalien. Wir könnten kontrollieren, wo verschiedene Bakterien relativ zueinander platziert werden, um verschiedene Teile einer komplexen Reaktion auszuführen.“
Die Tatsache, dass nur vier Adhäsionen erforderlich sind, um praktisch alle möglichen Fliesenmuster zu erstellen, bietet auch neue Perspektiven darauf, wie sich komplexes vielzelliges Leben auf der Erde aus einzelligem Leben entwickelt haben könnte.
„Die Erkenntnis, dass vier verschiedene Adhäsionen ausreichen, um höchst unterschiedliche Kachelungsmuster des Lebens zu erzeugen, legt nahe, dass die Entwicklungsbiologie viele neue Formen hervorbringen könnte, sobald ausreichend viele Adhäsionskomponenten verfügbar sind“, sagte Riedel-Kruse.
Honesty Kim et al., 4-Bit-Adhäsionslogik ermöglicht universelle multizelluläre Schnittstellenmusterung, Natur (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04944-2