Wie Zellen Kondensation nutzen, um Gewebe dicht zu versiegeln

Unser Körper und unsere Organe sind durch Gewebebarrieren wie die Haut von der äußeren Umgebung abgeschirmt. Diese Barrieren müssen dicht verschlossen sein, um das Eindringen unerwünschter Substanzen zu verhindern. Diese Abdichtung wird durch Strukturen erreicht, die als enge Verbindungen bezeichnet werden. Wie diese engen Verbindungen jedoch entstehen, war lange Zeit ein Rätsel.

Nun hat ein interdisziplinäres Forscherteam unter der Leitung von Prof. Alf Honigmann am Biotechnologischen Zentrum (BIOTEC) der TU Dresden herausgefunden, dass die für diese Versiegelungen verantwortlichen Proteine ​​eine flüssigkeitsähnliche Substanz auf der Zelloberfläche bilden, die dem Wasser ähnelt, das an einer kalten Fensterscheibe kondensiert.

Ihre Ergebnisse waren veröffentlicht im Journal Natur.

Unsere Haut fungiert als Schutzschild gegen die Außenwelt und muss wie eine solide Ziegelmauer dicht verschlossen sein, um Einbrüche zu verhindern. Ebenso müssen unsere Organe wie die Lunge oder der Darm abgedichtet sein, um sicherzustellen, dass der Inhalt nicht in andere Körperteile gelangt. Die äußerste Schicht unserer Organe erreicht dies durch spezielle Abdichtungen zwischen den Zellen, die als enge Verbindungen bezeichnet werden.

Enge Verbindungen ähneln stark den Fugen zwischen Boden- oder Wandfliesen. Es handelt sich um Bänder, die die Oberseite jeder Zelle umgeben und sich mit den benachbarten Zellen verbinden, um eine dichte Abdichtung zwischen ihnen zu bilden.

„Im Gegensatz zu den Fugen zwischen den Fliesen oder dem Mörtel in der Ziegelwand sind Tight Junctions dynamisch. Unsere Haut oder Organe sind weich und die Zellen verändern ständig ihre Form. Tight Junctions müssen sich an die Veränderung der Zellform anpassen und dennoch in der Lage sein, die Lücken zu verschließen“, erklärt Prof. Honigmann, Inhaber des Lehrstuhls für Biophysik und Forschungsgruppenleiter am BIOTEC. „Wie Tight Junctions ein so robustes und dennoch flexibles Material um den Zellumfang bilden können, war eine faszinierende wissenschaftliche Frage.“

Kondensation auf einer Oberfläche

Um zu verstehen, wie sich diese Versiegelungen bilden, nutzte Prof. Honigmanns Team fortschrittliche biophysikalische Methoden, um den Prozess in Echtzeit zu beobachten. Sie entwickelten eine Methode, mit der sich die Bildung von Tight Junctions chemisch nach Belieben ein- und ausschalten lässt. Außerdem nutzten sie gentechnische Verfahren, um die Versiegelungsproteine ​​mit einem fluoreszierenden Marker zu versehen. So konnten sie die Bildung von Tight Junctions mithilfe hochauflösender Mikroskopie in Echtzeit beobachten.

In Zusammenarbeit mit theoretischen Physikern unter der Leitung von Frank Jülicher am Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme (MPI-PKS) in Dresden konnte die Gruppe zeigen, dass die Selbstassemblierung enger Verbindungen durch ein physikalisches Phänomen namens Oberflächenbenetzung vorangetrieben wird.

„Es ist faszinierend, dass sich diese Tight Junction-Proteine ​​sehr ähnlich wie Wasser verhalten. Indem wir unsere Beobachtungen und die theoretische Physikmodellierung zusammenführten, kamen wir zu dem, was im Wesentlichen dem physikalischen Prozess der Flüssigkeitskondensation auf einer Oberfläche entspricht“, sagt Dr. Karina Pombo-Garcia, die Forscherin hinter dem Projekt und jetzt Forschungsgruppenleiterin am Rosalind Franklin Institute in England.

Tight Junction-Proteine ​​binden an die Oberfläche der Zellmembran an der Schnittstelle zwischen den Zellen. Wenn die Anzahl der dort gebundenen Proteine ​​einen bestimmten Schwellenwert erreicht, kondensieren die Proteine ​​zu einer Flüssigkeit, die nach und nach zu einer Art Tropfen auf der Zelloberfläche heranwächst.

Schließlich dehnen sich diese Tropfen aus und berühren sich gegenseitig, sodass ein gleichmäßiger Gürtel um die Zellen entsteht. Auf diese Weise versiegeln enge Verbindungen die Räume zwischen den Zellen und machen unsere Haut und Organe luftdicht.

„Wahrscheinlich hat es jeder im Winter schon einmal gesehen. Winzige Wassertropfen erscheinen auf einem kalten Fenster. Genau das ist es, nur auf molekularer Ebene“, fügt Dr. Pombo-Garcia hinzu.

Flüssigkeiten aus Proteinen

Bereits 2017 begann das Team von Honigmann zu vermuten, dass sich Tight Junction-Proteine ​​wie Flüssigkeiten verhalten könnten. „Wir haben viel Aufwand betrieben, um herauszufinden, wie man diese flüssigkeitsähnlichen Eigenschaften messen und beobachten kann“, sagt Prof. Honigmann. „Glücklicherweise waren wir zur richtigen Zeit am richtigen Ort.“

Die frühen Arbeiten, die zu dieser Entdeckung führten, wurden am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) in Dresden durchgeführt. Die Forscher am MPI-CBG sind Pioniere der Kondensatbiologie, dem neu entdeckten Zweig der Biologie, der sich mit Proteinen beschäftigt, die große Ansammlungen mit flüssigkeitsähnlichen Eigenschaften bilden.

„Die Kondensatbiologie ist ein vielversprechendes Forschungsgebiet, weil sie die Lücke zwischen den Skalen überbrückt. Eines der allgemeinen Probleme in der Biologie ist es, zu verstehen, wie sich Strukturen wie Zellorganellen aus den unzähligen molekularen Wechselwirkungen im Zytoplasma bilden. Wir wissen jetzt, dass sich bestimmte Biomoleküle selbst zu Materialien wie Flüssigkeiten und Gelen organisieren können. Dies ermöglicht es uns, gut verstandene physikalische Konzepte wie Kondensation und andere Phasenübergänge anzupassen, um die Strukturbildung in der Biologie zu beschreiben“, schließt Prof. Honigmann.