Einige punktuelle Einschlüsse von Protein-" Motoren" - und eine weiche lebende Zelle wird überraschend hart. Mathematische Modellierung hat gezeigt, wie dies geschieht.
Eines der erstaunlichen Wunder, die dem Menschen mit der Erfindung des Mikroskops offenbart wurden, ist die erstaunliche Flexibilität lebender Zellen, ihre Fähigkeit, ihre Form zu ändern (einschließlich Teilung) und sich zu bewegen. Diese Prozesse werden durch die Aktivität des mobilen Proteinrahmens der Zelle, ihres dynamischen Zytoskeletts, gewährleistet.
Die Grundlage des Zytoskeletts (bei höheren eukaryotischen Organismen) ist ein System von Mikrofilamenten, bestehend aus dem Protein Aktin, das wie in Muskeln wirkt, gepaart mit dem Protein Myosin. Durch den Abbau des ATP-Moleküls und die Nutzung seiner Energie zieht sich der Aktin-Myosin-Komplex zusammen; Vereinfacht gesagt zieht der Mysoin das Aktin-Seil wie ein Segler, der ein Segel hisst. Die ganze Zelle ist von einem komplexen Netzwerk dieser "Seile" durchdrungen, und die Spannung einiger und die Schwächung anderer sorgt für die ganze Dynamik ihrer komplexen Veränderungen in Form, Teilung und Bewegung.
Viele Details dieses interessanten Mechanismus sind jedoch bis heute unklar. Vor allem, wenn man bedenkt, dass sowohl die „Seile“aus Aktin-Mikrofilamenten als auch die damit verbundenen „Segler“aus Myosin scheinbar zufällig angeordnet und ausgerichtet sind. Es ist nicht klar, wie sie es schaffen, die mechanischen Eigenschaften der Zelle schnell und stark zu verändern – zum Beispiel ihre Steifigkeit um viele Größenordnungen zu erhöhen.
Jüngste Arbeiten der holländischen Forscher Chase Broedersz und Fred MacKintosh bringen etwas Licht in diese Frage. Sie gingen das Thema rein theoretisch an und erstellten ein mathematisches Modell eines zweidimensionalen Netzwerks aus starren Mikrofilamenten und zufällig verteilten und ausgerichteten "Motoren". Und dann berechneten sie die verschiedenen Eigenschaften der resultierenden Struktur und zeigten, wie die sich linear ändernde Aktivität der "Motoren" zu nichtlinearen Änderungen der Steifigkeit des gesamten Rahmens führen kann.
Tatsache ist, dass Spannungen in dieser Struktur aus starren Mikrotubuli ungleich verteilt sind. An manchen Stellen bleibt es „entspannt“, was die Zelle insgesamt recht flexibel macht. Aber „Motoren anmachen“ändert diese Situation schnell. Indem die Mikrofilamente nur in diesen „entspannten“Bereichen der Struktur gedehnt werden, versteifen sie sofort die gesamte Struktur.
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