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Winzige Zell-Kräne entdeckt

Die Kran-Zellmotoren können sich versteifen oder wieder hängen lassen, wenn sie GTP-Kraftstoff getankt haben. Durch diese Bewegungen bugsieren sie Container-Bläschen (Vesikel) mit Roh-, Wirk- oder Recycling-Stoffen der Zelle an ihren Bestimmungsort. Visualisierung: MPI-CBG

Die Kran-Zellmotoren können sich versteifen oder wieder hängen lassen, wenn sie GTP-Kraftstoff getankt haben. Durch diese Bewegungen bugsieren sie Container-Bläschen (Vesikel) mit Roh-, Wirk- oder Recycling-Stoffen der Zelle an ihren Bestimmungsort. Visualisierung: MPI-CBG

Forscher aus Sachsen und Indien finden neuen, stationären Zellmotor mit alternativem Treibstoff

Dresden, 5. Mai 2023. Forscher aus Sachsen und Indien haben eine Art biologischen Mikrokran entdeckt, der von einem alternativen Phosphor-Treibstoff tankt und sich um Blasencontainer mit Rohstoffen in unseren Zellen verteilt. Das geht aus einer gemeinsamen Mitteilung der TU Dresden, des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG), des Exzellenzzentrums „Physik des Lebens“ (PoL) Dresden sowie des indischen „National Centre for Biological Sciences“ (NCBS) in Bengaluru hervor. Damit hat das länder- und fachübergreifende Team neben den bereits bekannten Nano-Schrittmotoren einen weiteren biomechanischen Mechanismus entschlüsselt, mit denen lebende Zellen Nährstoffe verteilen, Arbeit verrichten oder sich verformen.

Zwei Proteine tun sich zu einer Art Drück-Figur zusammen

Konkret haben hier zwei Doktoranden aus Dresden und Bengaluru solange experimentiert, bis sie den bisher nur theoretische bekannten neuen Zellmotor in Aktion beobachten konnten. Dabei handelt es sich um ein längeres Protein names „EEA1“, an das sich das kürzeres Protein „Rab5“ angeheftet hat. Zusammen bilden sie einen Konstruktion, die den hölzernen Drückfiguren unserer Kindheit ähnelt: Oben am Rab5-„Kranausleger“ hängt beispielsweise ein membran-ummanteltes Bläschen („Vesikel“) mit einem Zell-Material, das vor Ort verteilt werden soll. Nascht nun der Zellkran ein energiereiches Molekül vom Typ „Guanosintriphosphat“ (GTP), wird der Kran-Turm, also das EEA1-Protein, abwechselt starr oder flexibel. Dadurch kann er den Bläschen-Container mit der zellularen Rohstoff-Fracht an seinen Bestimmungsort hieven.

„Wie die Tentakel eines Oktopus“

Die Forscher ziehen weitere Vergleiche, etwa mit einer Krake: „Das ist eine neue Klasse von molekularen Motoren“, zeigt sich beispielsweise Professor Stephan Grill vom MPI-CBG begeistert. „Dieser Motor bewegt sich nicht wie der Kinesin-Motor, der Fracht entlang der Mikrotubuli transportiert, sondern verrichtet seine Arbeit, indem er an seinem Platz bleibt. Er ist ein bisschen wie die Tentakel eines Oktopus.“ Und Biophysiker Shashi Thutupalli vom NCBS in Bengaluru meint: „Das von uns verwendete Modell orientiert sich an dem des klassischen Stirlingmotors. Während der traditionelle Stirling-Motor mechanische Arbeit durch Ausdehnung und Komprimierung von Gas erzeugt, verwendet der beschriebene Zweikomponenten-Motor Proteine als Arbeitsmaterial, wobei eine veränderte Proteinflexibilität zur Krafterzeugung führt. Dieser Mechanismus eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung synthetischer Proteinmotoren.“

Molekulare Schritt-Motoren lieben Phosphor-Energie-Snacks. Grafik: Priyanka Oberoi, Repro: hw

Molekulare Schritt-Motoren lieben Phosphor-Energie-Snacks. Grafik: Priyanka Oberoi, Repro: hw

Schrittmotoren sind für Bewegung und Transporte zuständig

Zum Vergleich: Bereits gut bekannt sind Nano-Schrittmotoren, die sich innerhalb unserer Zellen auf einer Art biologischen Bahnschienen schreiten. Für jeden Schritt brauchen sie ein Energiemolekül vom Typ „Adenosintriphosphat“ (ATP) fressen. Dank dieses Treibstoffes können sie Material in der Zelle von A nach B bringen, aber auch gemeinsam makroskopische Bewegungen wie etwa Muskelarbeit auslösen.

Fest installierte Zellmotoren

Insofern unterscheidet sich der nun gefundene Zellmotor vor allem auch in zwei wichtigen Punkten vom länger bekannten Zell-Schrittmotor: Er ist an einer Stelle fixiert und er nutzt GTP statt ATP als Treibstoff.

Hoffnung auf neue Therapien und Bionano-Maschinen

Letztlich sind solche Forschungen mit mehreren Hoffnungen verknüpft: Sie könnten den Weg zu neuen Therapien ebnen, die Medikamente hochpräzise im Organismus platzieren. Sie könnten aber auch intelligente nano- biologische Maschinen ermöglichen, wie man sie bisher nur aus Science-Fiction-Filmen wie „Die Reise ins Ich“ kennt.

Autor: Heiko Weckbrodt

Quellen: TUD, MPI-CBG, PoL, Oiger-Archiv

Wissenschaftliche Publikation:

Anupam Singh, Joan Antoni Soler, Janelle Lauer, Stephan W Grill, Marcus Jahnel, Marino Zerial, und Shashi Thutupalli: „Two-component molecular motor driven by a GTPase cycle“, in: „Nature Physics“ (Mai 2023), im Netz zu finden unter: https://doi.org/10.1038/s41567-023-02009-3

Zum Weiterlesen:

Sonderschau in Dresden zeigt die „Physik des Lebens“

Repro: Oiger, Original: Madeleine Arndt