| Jede
Körperzelle enthält eine große Anzahl
von Vesikeln und anderen Zellorganellen, die von Membranen
eingehüllt sind. Vesikel fungieren als Transportvehikel,
die einzelne "Frachten" (Botenstoffe und andere
chemische Substanzen) zwischen den verschiedenen Bereichen
"hin- und herfahren"; die "Lieferung"
erfolgt dabei immer über Membranfusionen: Indem
die Vesikel mit einer Membran verschmilzt, setzt sie
ihren chemischen Inhalt frei. Die Verschmelzung beispielsweise
synaptischer Vesikel mit den äußeren Membranen
von Nervenzellen steuert die Kommunikation zwischen
den Zellen. Dabei wird der entsprechende Botenstoff
in den synaptischen Spalt freigesetzt. Membranfusionen
bilden somit die molekulare Basis für all unsere
Gedanken. Ein weiteres, weniger erfreuliches Beispiel
für derartige Fusionen ist die Virusinfektion.
Viele Viren, wie auch der Grippe- oder der HIV-Virus,
verstecken sich hinter einer Hüllmembran, die sie
von einer infizierten Zelle "gestohlen" haben.
Nur mithilfe dieser Hüllmembran können sie
wiederum mit neuen Zellen fusionieren, die auf diese
Weise ebenfalls infiziert werden.
Obwohl diese Fusionprozesse
grundlegend für das Leben sind, sind die molekularen
Mechanismen dahinter nach wie vor unbekannt. Das liegt
vor allem daran, dass sich die Verschmelzung von Membranen
in winzigsten Dimensionen abspielt, nämlich auf
einer Längenskala zwischen 2 und 20 Nanometern.
Elektronenmikroskopie oder Rasterkraftmikroskopie
sind zwar in der Lage diese Längenskalen zu erfassen,
dafür müssen die Membranen aber gefroren
oder auf einer Oberfläche immobilisiert werden.
Folge: Sie können nicht mehr miteinander verschmelzen.
Der Vereinigungsprozess verläuft außerdem
so schnell, dass er sich bislang nicht zeitlich erfassen
ließ; und er schließt viele verschiedene
Moleküle - Lipide und Proteine - ein, deren Wechselspiel
während der Fusion bisher nicht aufgeklärt
werden konnte.
Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts
für Kolloid- und Grenzflächenforschung ist
es nun gelungen, mittels Computersimulationen Membranverschmelzungen
mit molekularer Auflösung zu beobachten und die
zugehörigen Fusionszeiten zu messen. Die Simulationen
basieren auf neuen Algorithmen der sogenannten Dissipative
Particle Dynamics, mit denen man eine sehr große
Anzahl von Molekülen darstellen kann. Die Forscher
konnten für die Fusionsprozesse das konzertierte
Verhalten von 10.000 Lipidmolekülen und rund
drei Millionen Wassermolekülen simulieren. Auf
diese Weise war es möglich, die Interaktion von
Lipidvesikeln (Durchmesser: 28 nm) mit einer flachen
Lipidmembran (Fläche: 50x50 nm2) innerhalb eines
Wasservolumens von 50 x 50 x 50 nm3 (siehe Bild) zu
studieren.
Dabei zeigt sich, dass die
Fusion durch die anfänglichen Spannungen innerhalb
der beiden Membranen gesteuert wird. Die Spannung
für eine Membran hängt von dem Verhältnis
der Membranfläche zur Anzahl der eingebauten
Lipidmoleküle ab. Wenn Vesikel und flache Membran
entspannt sind, beobachten die Forscher keine Fusion;
stattdessen haften die Vesikel an der flachen Membran.
Ist die Vesikelmembran anfänglich zu stark gespannt,
zerreißt sie noch bevor sie mit der Membran
verschmelzen kann. Gleiches gilt für die Membran,
wenn sie einer zu großen anfänglichen Spannung
ausgesetzt wird. Daraus ergibt sich, dass die Fusion
nur dann erfolgen kann, wenn die Spannungswerte für
die Membran genau dazwischen liegen. "Aber auch
bei diesen mittleren Spannungen führen nur 55%
aller Verschmelzungsversuche zu einem erfolgreichen
Resultat", sagt Julian Shillcock. "Die restlichen
Versuche liefern perforierte oder halbverschmolzene
Membranen." Da diese halbverschmolzenen Zustände
stabil werden, konnten die Forscher auch keine Verschmelzungsprozesse
mit einer längeren Fusionszeit zwischen 350 Nanosekunden
und 2 Mikrosekunden beobachten.
Die Fusion von biologischen
Membranen wird durch Fusionsproteine gesteuert, die
in den Membranen verankert sind. Diese Steuerung geschieht
vermutlich dadurch, dass die Proteine ihre Faltungsstruktur
ändern und auf diese Weise örtlich begrenzte
Spannungen und Biegemomente auf die Membranen ausüben.
Verschiedene Fusionsproteine sollten den Membranen
dabei unterschiedliche Kraftmuster aufprägen.
Diese örtlich begrenzten Kraftmuster können
ebenfalls in den Computermodellen dargestellt werden.
"Man findet wieder einen mittleren Spannungsbereich,
für den Membranfusionen auftreten, mit Fusionszeiten
von etwa 200 Nanosekunden", erklärt Reinhard
Lipowsky "Die lokalen Kraftmuster haben darüber
hinaus den Vorteil, dass der Fusionsprozess jetzt
wesentlich verlässlicher und weniger stochastisch
ist, so wie man es für die Fusion von biologischen
Membranen erwarten sollte."
Die Forscher wollen ihre Simulationsstudien
auf Membranen mit mehr Komponenten ausdehnen und damit
die Grundlage für neue biomimetische Modellsysteme
legen. Ihr Ziel: Die Systeme könnten zum Beispiel
für einen intelligenten Medikamententransport
benutzt werden. Zukünftig würden dann die
Wirkstoffe in Vesikel eingeschlossen. Diese docken
an kranken Zellen an, fusionieren mit ihnen, und geben
somit ihre Fracht gezielt nur an diese Zellen ab.
Aber diese Idee kleinster Nano-Transporter ist noch
Zukunftsmusik.
[LI/AB]
Originalveröffentlichung:
Julian Shillcock and Reinhard
Lipowsky
Tension-induced fusion of bilayer membranes and vesicles.
Nature Materials, Advanced Online Publication, February
13, 2005
Reinhard Lipowsky
Biomimetic membrane modelling - Pictures from the
twilight zone
Nature Materials 3, 589 - 591 (2004)
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