Ähnlich wie Seile und Geflechte in der Makrowelt, können sich auch in der Welt der kleinsten Teilchen einzelne Filamente zu komplexen Netzwerken und Bündeln zusammenlagern. Unter welchen Bedingungen dies geschieht, haben jetzt deutsche Wissenschaftler herausgefunden.
Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam haben jetzt gezeigt, dass sich wegen der thermischen Bewegung der Filamente solche Bündel erst dann bilden, wenn die Konzentration der vernetzenden Moleküle einen bestimmten Schwellwert überschreitet. Dieser hängt von der Anzahl der Filamente ab, bleibt aber auch für Bündel aus zahlreichen Filamenten endlich. Verringert man die Konzentration der Quervernetzer, separieren sich die Bündel in kleinere Subbündel oder lösen sich in einem abrupten Phasenübergang komplett auf.
Aktinbündel als Zellstabilisatoren
Biologische Zellen sind mechanisch stabil, da sie Aktinfilamente und Mikrotubuli besitzen, die Netzwerke und Bündel ausbilden. Diese Architekturen werden von quervernetzenden Proteinen, die zwei klebende Enden besitzen und damit verschiedene Filamente aneinander binden können, zusammengehalten und kontrolliert.
Will man die für diese Prozesse verantwortlichen Kräfte verstehen, um beispielsweise die mechanischen Eigenschaften der Architekturen zu optimieren, muss man biomimetische Modellsysteme studieren, die allein aus Filamenten und quervernetzenden Proteinen bestehen. Ein wichtiges Beispiel dafür ist die Vernetzung mehrerer Filamente zu dicken Bündeln oder „Nanozöpfen“, die steifer sind und eine größere externe Last tragen können als ein einzelnes Filament.
Konzentration der „Vernetzer“ entscheidend
Doch die Vernetzung von Filamenten wird durch ihre thermische Bewegungen gestört. Die Potsdamer Max-Planck-Wissenschaftler haben jetzt gezeigt, dass die thermische Bewegung den Aufbau eines Filamentbündels verhindert, sofern die Konzentration der Vernetzer einen bestimmten Schwellwert nicht überschreitet. Dieser Schwellwert hängt von der Filamentsteifigkeit, der Bindungsenergie der quervernetzenden Moleküle und der Temperatur ab.
Simulationen zeigen, dass diese Bündel sich oft auftrennen in kleinere Subbündel, die typischerweise fünf Filamente enthalten. Dabei unterscheidet sich die Bündelmorphologie sehr stark von der Gleichgewichtsform. Welche der beiden Morphologien angenommen wird, hängt von der anfänglichen Anordnung der Filamente und von der Kinetik des Vernetzungsprozesses ab.
Bündel unter Druck
Abgesehen von ihrer Aufgabe als strukturelle Elemente können Filamentbündel auch enorme Druckkräfte erzeugen. Diese entstehen durch das gerichtete Wachstum der Filamente, wenn weitere molekulare Bausteine an den Filamentenden angebaut werden. Eine wichtige Herausforderung besteht nun darin zu beschreiben, auf welche Weise diese Druckkräfte von der Anzahl der Filamente im Bündel abhängen.
Diese wissenschaftliche Thematik wird derzeit innerhalb des Europäischen Netzwerks über „Aktive Biomimetische Systeme“ intensiv verfolgt.
(MPG, 12.10.2005 – NPO)
