Wie Zellen ihre Grenzen kontrollieren

Bakterien, Pilze und Hefen können sehr gut nützliche Stoffe wie schwache Säuren ausscheiden. Dies geschieht unter anderem durch passive Diffusion von Molekülen durch die Zellmembran. Gleichzeitig müssen Zellen verhindern, dass zahlreiche kleine Moleküle austreten. Hefezellen zum Beispiel können dank eines sehr robusten und relativ undurchlässigen Membransystems in feindlichen Umgebungen leben. Biochemiker der Universität Groningen haben untersucht, wie sich die Zusammensetzung der Membran auf die passive Diffusion und die Robustheit der Zellmembran auswirkt. Ihre Ergebnisse, die in veröffentlicht wurden Naturkommunikation am 25. März, könnte der Biotech-Industrie helfen, die mikrobielle Produktion nützlicher Moleküle zu optimieren und beim Arzneimitteldesign zu helfen.

Die Grenzkontrolle ist für Zellen sehr wichtig. Ihre Membranen trennen die inneren und äußeren Umgebungen, die sehr unterschiedlich sind. Um nützliche Verbindungen wie Nährstoffe aufzunehmen oder Abfallstoffe auszuscheiden, können Zellen selektive Transportsysteme verwenden. Ein gewisser Transport durch die Membran findet jedoch durch passive Diffusion statt. Dies ist ein nicht selektiver Prozess, bei dem einige Moleküle beispielsweise je nach Größe und Hydrophobie ein- oder austreten. Aktive Transporter wurden ausführlich untersucht; unser Wissen über die passive Diffusion durch die Membran ist jedoch noch sehr unvollständig.

Synthetische Vesikel

Dies ist ein Problem für die Biotechnologieindustrie, die Zellen als Fabriken zur Herstellung unzähliger nützlicher Substanzen nutzt und die diese Arbeiterzellen benötigt, um unter harten Bedingungen zu überleben, beispielsweise in einer Umgebung mit hoher Alkohol- oder schwacher Säurekonzentration. Bert Poolman, Professor für Biochemie an der Universität Groningen, wurde von einem Biotech-Unternehmen angesprochen, das daran interessiert war, Milchsäure in Bakterien herzustellen. Sie wollten mehr über passive Diffusion erfahren. Das passte gut zu einem anderen Projekt, an dem Poolman arbeitet. „Wir sind sehr an diesen passiven Transportprozessen interessiert, da wir an einem Projekt zum Aufbau einer synthetischen Zelle beteiligt sind“, sagt Poolman. „Wenn man anstelle eines aktiven Transportsystems die passive Diffusion nutzen kann, braucht man weniger Teile, um eine solche Zelle zu bauen.“

Also kombinierte er beide Fragestellungen in einem Forschungsprojekt. „Wir begannen mit einer systematischen Untersuchung der Ursachen für die Unterschiede in der Permeabilität von Hefemembranen und Bakterienmembranen“, sagt Poolman. Sein Team stellte synthetische Vesikel her, die aus drei bis vier verschiedenen Lipiden bestanden. Den Membranen wurde Ergosterol oder Cholesterin zugesetzt, um ihre Fließfähigkeit und Steifheit zu beeinflussen. Mit diesem System wurde eine Reihe kleiner Moleküle getestet, und die Ergebnisse dieser Experimente führten zu molekulardynamischen Simulationen der Diffusion durch Membranen. Die von Professor Siewert-Jan Marrink betreuten In-silico-Studien lieferten einen tieferen Einblick in den molekularen Mechanismus der Diffusion.

Optimierung

Die Fettsäureschwänze der Lipide erwiesen sich als am wichtigsten für die Bestimmung der Eigenschaften von Membranen, während die hydrophilen Kopfgruppen wenig Einfluss auf die Permeabilität hatten. Die Länge der Schwänze spielte auch eine Rolle. „Und gesättigte Schwänze ohne doppelte Kohlenstoffbindungen sind steifer als ungesättigte. Hydrophobe Wechselwirkungen verursachen eine dichte Packung dieser Schwänze, was zu einer Gelphase führt, die nicht sehr durchlässig ist“, erklärt Poolman. Sterole erhöhen die Fließfähigkeit, aber im Fall von Hefe, die Ergosterin verwendet, bleibt die Durchlässigkeit gering. „Indem wir also die Sättigung der Fettsäuren und die Art und Menge des Sterols in der Membran optimieren, können wir die Durchlässigkeit der Plasmamembran von Hefe- und Bakterienzellen modifizieren.“

Poolman und seine Kollegen haben daher eine Reihe von Variablen definiert, die die Durchlässigkeit von Membranen für verschiedene Verbindungsklassen verändern. Diese Informationen können von Unternehmen genutzt werden, die Hefen oder Bakterien als Zellfabriken verwenden. „Unsere Ergebnisse lassen sich jedoch nicht direkt auf diese Zellen übertragen“, sagt Poolman. „Echte Membranen enthalten Hunderte verschiedener Lipide und die Zusammensetzung kann zwischen verschiedenen Stellen in der Membran variieren. Außerdem enthalten diese Zellmembranen alle Arten von Proteinen. Wenn Sie beispielsweise die Lipidzusammensetzung der Membran ändern, sehr viel kann schief gehen und die Funktion eines Membranproteins kann beeinträchtigt werden.“

Arzneimitteldesign

Das bessere Verständnis der physikalischen Prozesse, die die Permeabilität beeinflussen, kann Unternehmen helfen zu verstehen, warum bestimmte Zellen für bestimmte Prozesse besser geeignet sind als andere. „Der übliche Weg, Stämme zu optimieren, ist die gerichtete Evolution. Unsere Ergebnisse werden Unternehmen dabei helfen, die Ergebnisse dieser Optimierungen besser zu verstehen und ihre Anstrengungen im Bereich Zell-Engineering zu lenken.“

Eine weitere Anwendung ist das Design von Medikamenten, die in Zellen wirken. „Pharmaunternehmen verwenden eine Reihe empirisch etablierter Regeln, um Medikamente für die Wirkung innerhalb von Zellen zu optimieren, basierend auf Parametern wie Größe oder Polarität. Unsere Studie unterstreicht die Bedeutung der Membranzusammensetzung der Zielzellen, und dies könnte beim Medikamentendesign helfen.“