Tauziehen in der Zelle
Max-Planck-Wissenschaftler klären Transportmechanismus in Zellen auf
Leben bedeutet vor allem Logistik: Ständig müssen in den Zellen Nährstoffe, Werkzeuge und Informationen von einem Ort zum anderen gelangen. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung zeigen nun, wie molekulare Motoren in den Zellen Lasten transportieren: Zwei konkurrierende Motorteams bewegen sich wie beim Tauziehen in entgegen gesetzte Richtungen. Das Gewinnerteam bestimmt nach dem ausgetragenem Wettstreit die Transportrichtung.
Der Wettstreit molekularer Motoren:Eine blaue Fracht wird von zwei Motorteams transportiert, die entlang des gelben Filaments laufen. Das rote Motorteam zieht nach rechts zum Plus-Ende (+), das grüne nach links zum Minus-Ende (). Wenn beide Teams ziehen (Mitte), behindern sie sich gegenseitig so stark, dass sich die Fracht kaum vorwärts bewegt. Gewinnt hingegen ein Team die Oberhand, geht es schnell voran, weil die gegnerischen Motoren vom Filament abgezogen werden.
Melanie Müller / MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung
Transportprozesse in den Zellen unseres Körpers ähneln dem Gütertransport auf der Straße. Dabei arbeiten molekulare Motoren, spezielle Eiweiß-Moleküle, als Lastwagen: Sie nehmen die zelluläre Fracht huckepack und transportieren diese entlang von Filamenten, den Straßen der Zellen. Allerdings sind die molekularen Transporter eine Milliarden Mal kleiner als Lastwagen, können sich je nach Transporter-Typ nur zum Anfang oder zum Ende des Filaments bewegen, müssen sich durch ein Gewusel kämpfen, dass eher an eine überfüllte Fußgängerzone als eine Autobahn erinnert - und liegen im Wettstreit mit Motoren, die in die andere Richtung laufen wollen, wie die Wissenschaftler vom Potsdamer Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung jetzt in einer Computer-Simulation herausgefunden haben.
Am Tauziehen um eine Last sind immer mehrere Motoren beteiligt - zum Beispiel einige vom Kinesin-Typ und einige vom Dynein-Typ. Die Kinesin-Motoren laufen zu dem Ende des Filaments, das Biologen als Plus-Ende bezeichnen, die Dynein-Motoren zum Minus-Ende. Den Erkenntnissen der Potsdamer Wissenschaftler zufolge bestimmt das stärkere Motoren-Team, in welche Richtung eine Fracht wandert. Es setzt sich beim Tauziehen durch, indem es gegnerische Motoren vom Filament abreißt. Bislang vermutete man, dass es einen Koordinations-Apparat gibt, der immer nur ein Motorteam zulässt. Dieser würde dann zwischen dem einen und dem anderen Team umschalten.
"Das Tauziehen ist der einfachste vorstellbare Mechanismus", sagt Melanie Müller, eine der beteiligten Wissenschaftlerinnen: "Aber er hat es in sich, wenn man die experimentell gemessenen Eigenschaften der einzelnen Motoren berücksichtigt. Diese reagieren nämlich stark nichtlinear, wenn man an ihnen zieht." Ein Motor des Verliererteams spürt eine starke Kraft und wird schnell vom Filament heruntergezogen. Die verbleibenden Motoren müssen dann die Zugkraft des Gewinnerteams allein aushalten und lösen sich noch schneller ab. Dominoartig geben die Verlierermotoren auf und werden vom Filament gezogen, bis keiner mehr übrig ist. Das Gewinnerteam kann jetzt die Fracht schnell und ungehindert transportieren. "Allerdings überlässt die Zelle und Niederlage nicht dem Zufall, damit die Fracht auch an dem Ende der Straße ankommt, an dem sie gebraucht wird. "Da greifen wahrscheinlich Regulationsproteine ein", sagt Melanie Müller.
Ob ihr Modell vom Tauziehen der Wirklichkeit entspricht, überprüften die Forscher am Transport von Fetttröpfchen in Drosophila-Embryos. Tatsächlich erklärt es die experimentellen Beobachtungen, die es teilweise auch schon vorher zum Transport-Mechanismus gab: Eine Fracht läuft auf einem Filament nicht schnurstracks von einem zum anderen Ende, vielmehr wird sie immer wieder auch in die Gegenrichtung gezogen. Die Verlierer-Motoren können die Gewinner-Motoren nämlich gelegentlich doch von der Filament-Straße abheben, weil der thermische Sturm die Gewinner-Motoren gelegentlich von der Straße bläst. Die Fracht-Teilchen bewegen sich auf diese Weise in beide Richtungen.
"Solch ein bidirektionaler Transportprozess ist sehr flexibel", erklärt Melanie Müller: Er kann die Richtung wechseln, wenn die Fracht am Ziel vorbeigelaufen ist, oder die Transportgeschwindigkeit ändern. Der Mechanismus des Tauziehens, bei dem das Gewinner-Team nicht nur die Last, sondern auch die gegnerische Motoren-Partei durch die Zelle zieht, löst zudem ein anderes logistisches Problem in der Zelle. Er bringt auch die Motoren immer zu dem Ende des Filaments, von dem aus sie loslaufen können und verhindert so, dass sich die Motoren eines Typs an ihrem jeweiligen Ziel stauen.
"Trotz des einfachen Mechanismus zeigt ein Fracht-Teilchen, das durch zwei Motorenteams transportiert wird, ein sehr komplexes Motilitätsverhalten", sagt Melanie Müller. Es gibt sieben verschiedene Motilitätszustände. Das sind unterschiedliche Kombinationen aus Bewegungen zum Plus- und Minus-Ende sowie Pausen, zwischen denen das Fracht-Teilchen wechseln kann. Die Wahrscheinlichkeiten für die Bewegung in eine bestimmte Richtung oder für den Stopp sowie die Zeiten zwischen zwei Richtungswechseln hängen stark von den Eigenschaften und der Anzahl der beteiligten Motoren ab. Dies nutzt die Zelle aus, um den Fracht-Transport zu steuern. Wird ein Motorteam stärker oder schneller angetrieben, bewegt sich die Fracht statt in die Plus- in die Minus-Richtung oder pausiert.
"Der einfache und effiziente Tauzieh-Mechanismus könnte für den Transport in Mikrolaboratorien auf Chips eingesetzt werden", sagt Melanie Müller. Dem biologischen Vorbild entsprechend könnten Motorteams bestimmte Moleküle gezielt zu spezifischen Reaktionsorten auf dem Chip transportieren, und dann das Reaktionsprodukt wieder zurückbringen. "Unsere quantitative Tauzieh-Theorie ermöglicht es, die Motoreigenschaften für diesen Zweck zu optimieren", so Müller.
Originalveröffentlichung: Melanie J.I. Müller, Stefan Klumpp, und Reinhard Lipowsky; "Tug-of-war as a cooperative mechanism for bidirectional cargo transport by molecular motors"; PNAS Early Edition 2008.
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