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Neue molekulare Schalter erzeugen Zellpolarisierung aus dem Nichts

Für viele biochemische Prozesse in Zellen müssen sich ihre Bestandteile innerhalb des Raumes organisieren. Dieser Vorgang wird als Symmetriebrechung bezeichnet. Ein europäisches Forschungsteam hat dieses Phänomen jetzt mithilfe von biologischen Bausteinen und synthetischer Biologie „bottom-up“ untersucht.

Grundlagenforschung

Man geht davon aus, dass das Leben in Zellen entstand, als bestimmte Mischungen von Vorläufermolekülen zu undifferenzierten Kompartimenten zusammengeschlossen wurden, die primitive Zellen, sogenannte Protozellen, ergaben. Doch um Verhaltensweisen wie Zellteilung oder Motilität zu zeigen, die für uns Anzeichen von Leben sind, mussten sich die Zellbestandteile auch in Raum und Zeit selbst organisieren.

Biologische Bausteine zur Erzeugung künstlicher molekularer Schalter

Ein solcher Prozess der Selbstorganisation ist die Zellpolarisierung, bei der homogen verteilte Moleküle innerhalb der Zelle asymmetrisch angeordnet werden. Üblicherweise wird dieser Prozess mit „Top-down-Methoden“ untersucht und gemessen, wie stark sich Störungen auf ein natürliches System auswirken. Mit Unterstützung aus den Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen griff das Projekt POLAR stattdessen zu einem komplementären „Bottom-up-Ansatz“ der synthetischen Biologie. „Wir haben aus biologischen Bausteinen Minimalmodelle erstellt und daraus synthetische Systeme, die den grundlegenden mechanistischen Aspekt der Zellpolarisierung und Selbstorganisation nachahmen“, erklärt der Projektstipendiat Leon Harrington, der unter Projektkoordinatorin Petra Schwille für die Leitung von POLAR verantwortlich war. Zum Test der Selbstorganisationsmechanismen bauten die Forschenden einen synthetischen Schalter für die Membran. Angelehnt war dieser an die Min-Proteine von Escherichia coli, die als musterbildendes System bereits weitgehend erforscht sind und die bakterielle Zellteilung ermöglichen. Gemeinsam mit Jordan Fletcher und Dek Woolfson von der Universität Bristol hat Harrington aus minimalen Peptidmotiven, die als Coiled-Coils bezeichnet werden, einen reversiblen Membranschalter konzipiert und erstellt. Diese Moleküle sind wesentlich kleiner als Proteindomänen und folgen leichter steuerbaren und vorhersagbaren Gestaltungsregeln. Mithilfe von reversibler Phosphorylierung und Dephosphorylierung konnte das Team die Coiled-Coils zwischen dem Zustand als Monomer und Heterodimer hin- und herschalten. Daraus ergab sich ein „Modul“, das daraufhin mit auf die Membran ausgerichteten Motiven gekoppelt wurde. Die so entstehenden reversiblen Membranschalter können genutzt werden, um die Mechanismen der Symmetriebrechung zu untersuchen. Biomoleküle neigen dazu, sich in synthetischen Kontexten unspezifisch miteinander zu verbinden, wodurch sich Wechselwirkungen von Proteinen mit Proteinen oder Proteinen mit Fetten besonders schwer erzeugen und kontrollieren lassen. Harrington räumt ein, dass es technisch anspruchsvoll war, fügt jedoch hinzu: „Der beste Beweis für eine Theorie oder einen Mechanismus ist, ihn von Grund auf aufzubauen und dann zu testen.“ Dank des „Bottom-up-Ansatzes“ im Projekt POLAR konnten sich die Forschenden auf die wesentlichen Faktoren lebendiger Prozesse konzentrieren und ein größeres Spektrum an Messtechniken einsetzen als es innerhalb eines lebenden Organismus möglich wäre.

Zukünftige Anwendungen für das POLAR-System

Geplant ist unter anderem, zusätzliche Module einzuführen, um positives und negatives Feedback zu erhalten und so die Mechanismen der Symmetriebrechung maßgeblich auf den Prüfstand zu stellen. Außerdem will das Team DNA-basierte Bestandteile in das POLAR-System integrieren. Das sich DNA leicht manipulieren lässt und sich vorhersagbar verhält, ist sie als biologischer Baustand besonders interessant. Doch es gibt auch mögliche Anwendungen für molekulare Schalter, die weit über das ursprüngliche Forschungsziel der Symmetriebrechung hinausreichen. Harrington, seine Mitarbeitenden und weitere Partner wollen die Anwendbarkeit der molekularen POLAR-Schalter noch ausweiten, indem sie auf andere Arten der posttranslationalen Modifikation zurückgreifen oder Schalter mit höheren Stöchiometrien, wie Trimere und Tetramere, konzipieren. Sie planen zudem, diese Schalter in speziell gestaltete Proteinstrukturen einzubauen, um innerhalb von Zellen dynamisches Verhalten zu erzeugen. Die Entwicklung reversibler interaktiver Coiled-Coil-Module eröffnet insgesamt viele neue Möglichkeiten für die Gestaltung dynamischer molekularer Systeme. Mit einem Blick in die Zukunft schließt Harrington: „Diese Technologien werden ein großer Beitrag zur synthetischen Biologie sein.“

Schlüsselbegriffe

POLAR, molekularer Schalter, Symmetriebrechung, Zellpolarisierung, Coiled-Coil, synthetische Biologie, DNA

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