Biologisches Modell hilft "absorbierenden Zustand" zu verstehen
Ein Team von EU-geförderten deutschen Wissenschaftlern hat untersucht, wie sich Fasern aus dem Muskelprotein Aktin verhalten, wenn sie transportiert und gleichzeitig vernetzt werden. In einer neuen Studie, die in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde, erklärt das Team, wie sie entdeckt haben, dass an einem bestimmten Punkt, Systeme plötzlich in einen sogenannten "absorbierenden Zustand" eintreten, wobei allerdings auch weiterhin Energie verbraucht wird. Ihre Forschung wurde zum Teil durch das Projekt COMPNET ("Dynamics and Self-organisation in Complex Cytoskeletal Networks) finanziert, das mit Mitteln in Höhe von 1,5 Mio. EUR des Europäischen Forschungsrates (ERC) unter dem Siebten Rahmenprogramm der EU (RP7) unterstützt wurde. Die Gesetze von absorbierenden Zuständen lassen sich am besten mithilfe eines Güterzugs beschreiben, der mit ausreichend Energie ausgestattet ist, um so weit zu fahren wie die Schienen reichen. Ein absorbierender Zustand ist ein Zustand, dem sich ein System nicht entziehen kann. Das deutsche Team hat erfolgreich gezeigt, wie diese Gesetze in der Natur funktionieren. Sie haben ein einfaches Modell bestehend aus nur drei Komponenten gebaut, um die Gesetze dieser sogenannten absorbierenden Zustände in Muskelproteinen zu studieren. Die drei Komponenten sind das Muskelprotein Aktin, Motorproteine, die für den Transport und die Bewegung in Zellen zuständig sind, sowie Fascin-Moleküle, die die Aktin-Fasern vernetzen. Mit diesem einfachen und leicht zu kontrollierenden Modell konnten die Wissenschaftler, die grundlegenden Prinzipien der absorbierenden Zustände untersuchen. Die Wissenschaftler konnten analysieren, inwiefern Aktin Teil eines aktiven Systems ist, das kontinuierlich Energie verbraucht. Obwohl aktive Systeme überall um uns herum sind, sowohl in den einfachsten Maschinen als auch in den am höchsten entwickelten Lebewesen, wissen wir nur wenig über sie. In dem Experiment waren Millionen von biologischen Motorproteinen, die a?uf einer Glasoberfläche verankert sind, für den Transport der Aktin-Fasern zuständig. Sie waren die aktiven Komponenten in dem Modellsystem. Nach der Zugabe von Adenosintriphosphat (ATP), dem "Treibstoff" für die Motorproteine, begannen sich die Fasern nach dem Zufallsprinzip zu bewegen. Anschließend fügten die Forscher Vernetzungsmoleküle hinzu, um die Fasern zu verbinden. Dies führte zur Bildung von immer größeren Strukturen, die sich auf der Glasoberfläche bewegten. Schließlich wurden alle Fasern in große Strukturen eingearbeitet. Allerdings waren diese Strukturen nicht mehr in der Lage, sich frei über die Oberfläche zu bewegen. Sie wurden an einer Stelle fixiert und bewegten sich im Kreis - das System wurde in einem absorbierenden Zustand festgehalten, da es sich in einem Zustand befand, aus dem es nicht entkommen konnte. Sehr zur Überraschung der Wissenschaftler waren die Strukturen, die sich entwickelt hatten, sehr komplex. Das Team berichtete über eine Sammlung von perfekt geformten Ringen aus Millionen von einzelnen Fasern, die sich permanent unter dem Einfluss der Motorproteine ??drehten. "Das Erstaunliche ist nicht nur die Komplexität der Strukturen selbst, sondern die Tatsache, dass selbst ein solch einfaches System, das aus nur drei Elementen besteht - Fasern, Motorproteine ??und Vernetzungsmoleküle - in einen absorbierenden Zustand laufen kann", sagt der Hauptautor der Studie Volker Schaller vom Institut für Molekulare und Zelluläre Biophysik an der Technischen Universität München in Deutschland. Für einen anderen Autor der Studie, Andreas Bausch, ist das Faszinierende an ihren Erkenntnissen, dass ein aktives System einen absorbierenden Zustand erreichen kann und trotzdem weiterhin Energie verbraucht. "Das Faszinierende an diesem Modell-System ist, abgesehen von der Faszination durch die nahezu perfekten Muster, dass es ein scheinbarer Widerspruch ist. Für das System ist ein absorbierender Zustand wie eine Sackgasse: sobald ein Teil des Systems diese betritt, gibt es kein Entrinnen mehr ", erklärt Professor Bausch.Weitere Informationen finden Sie unter: Technische Universität München: http://portal.mytum.de/welcome/
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