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Forscher untersuchen Verhalten von Schwimmerzellen

"Schwimmende" Zellen liefern Aufschluss über Nierenkrankheiten, Spermienverhalten, Schleimhauteigenschaften und verschiedene medizinische Phänomene.

Gesundheit

Das Verhalten von Zellen, gleich ob von Einzellern oder komplexeren Vielzellern bzw. Geweben, wird durch die Wechselwirkung zwischen der evolutionären Entwicklung der Zellstruktur und physikalischen Gegebenheiten der Umgebung bestimmt. Ein prägnantes Beispiel für die Interaktion zwischen Zelle und physischer Umgebung ist die Flagelle (bei Eukaryoten auch Geißel), einer haarähnlichen Organelle (Zellbestandteil) von 10 bis 20 Mikrometern Länge. Ihr Verhalten lässt sich gut an eukaryotischen Zellen beobachten, die in bestimmten Algenarten vorkommen. Das als Zytoplasmaströmung bezeichnete Strömungsverhalten ist noch wenig erforscht, obwohl sich daraus wichtige wissenschaftliche Zusammenhänge ableiten lassen, insbesondere aus dem Verhalten von Flagellen. Das Projekt Cyclosis (The biophysics of cytoplasmic streaming in Chara corallina), das in vollem Umfang von der EU finanziert wird, befasst sich detailliert mit den Mechanismen dieser Zytoplasmaströmung und will herausfinden, warum sich diese Zellen oft in kaum vorhersehbarer Weise verhalten, um auf diese Weise langfristig bessere Therapien gegen kranke Zellen zu entwickeln. Die prägnanteste Eigenschaft von Flagellen ist ihre unablässig schlagende Bewegung, die der Fortbewegung dient (z.B. von Spermienzellen oder zur Sekretmobilisation). Die resultierende Strömung ist auch an der Entstehung der Rechts-Links-Asymmetrie in der Embryonalentwicklung und möglicherweise auch der Entstehung von Vielzelligkeit beteiligt. Die Geißeln informieren die Zelle über chemische und mechanische Umgebungseigenschaften. Die Fähigkeit zur Wahrnehmung von Umgebungsbedingungen spielt vor allem bei menschlichen Erkrankungen wie Nierenkrankheiten eine Rolle. So sammeln die Mikroschwimmer anhand der hydrodynamischen Wechselwirkung zwischen individuellen Mikroorganismen Informationen über Nährstoffverfügbarkeit, Prädatoren und die Koordinierung zwischen den Flagellen. Aus wissenschaftlicher Sicht ist dies aber noch wenig erforscht. Die Projektpartner untersuchten die Dynamik von Flagellen und das Schwimmverhalten bei der Grünalge Volvocales, leicht zu beobachtenden Einzellern, die sich problemlos in Laborkulturen züchten und manipulieren lassen und einen kurzen Lebenszyklus von 1-2 Tagen haben. Die Kontinuität der Flagellenbewegung wird durch "Schlinger" sporadisch unterbrochen, und zwar wenn sich eine der beiden Flagellen schneller bewegt als die andere, was sich signifikant auf die Fortbewegung auswirkt. Die Forscher fanden heraus, dass diese Schlinger durch Lärm verursacht werden, eine sehr wichtige Entdeckung im Zusammenhang mit der Koordinierung eukaryotischer Geißeln. Diese Beobachtungen validieren auch den Einfluss physikalischer Eigenschaften bei der Regulierung der hydrodynamischen Interaktion und könnten anhand des unterschiedlichen Zellverhaltens Aufschluss über Navigation und die spezifische Fortbewegungsart liefern. Die Informationen könnten damit Licht auf die Ursachen verschiedener Krankheiten werfen und zur Entwicklung von Therapien beitragen. Das Projekt fördert maßgeblich die Entstehung eines neuen Forschungsbereichs in der Biophysik, der sich vor allem biologischen Fragestellungen widmet, was der europäischen Forschergemeinschaft einen Anstoß liefert, die Zusammenarbeit zwischen Physikern und Biologen weiter auszubauen und stärker zu integrieren.

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5 Oktober 2020