Amöben mit Rhythmus
Die Amöbe Dictyostelium discoideum gilt als „Lieblingstier“ vieler Biologen und mancher Physiker: Der normalerweise in der Erde lebende Einzeller ist ein Modellorganismus für unterschiedlichste Zellen, die ihre Form verändern oder sich fortbewegen können, sobald sie chemische Konzentrationsänderungen in ihrer Umgebung sehen. Beispiele sind etwa Krebszellen, embryonale Zellen in einem sehr frühen Entwicklungsstadium oder Zellen in der Wundheilung. Nun verblüfft die Amöbe durch eine faszinierende Eigenschaft: eine innere Schwingung im 20-Sekunden-Takt. Mit dieser Periode kann sich das Zytoskelett, das der Zelle ihre innere Stabilität verleiht, umorganisieren. Physiker vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS) in Göttingen haben im Rahmen des Sonderforschungsbereichs „Kollektives Verhalten weicher und biologischer Materie“ nachgewiesen, dass die Amöbe dadurch auf minimale Reize aus ihrer Umgebung reagiert. Welchen Nutzen die rhythmischen, inneren Umbauarbeiten den Einzellern bieten, ist noch unklar. Vermutlich helfen sie den Zellen, sich fortzubewegen.
Durch äußere chemische Reize gerät das Zytoskelett der Amöbe Dictyostelium discoideum in Bewegung: Im 20-Sekunden-Takt wird das Strukturprotein Aktin im Innern ab- und an der Innenseite der Zellmembran aufgebaut. Im linken Bild befindet sich noch recht viel Aktin (grüne Färbung) im Innern der Zelle. Einige Sekunden später (rechtes Bild) hat sich die Aktinstruktur zum Rand hin verlagert.
© MPIDS
Die Amöbe Dictyostelium discoideum – oft verkürzend nur „Dicty“ genannt - ist eine feinfühlige Kreatur: Bereits kleinste Schwankungen in der chemischen Zusammensetzung der Umgebung kann der Einzeller wahrnehmen. Besonders in Notlagen zahlt sich diese Fähigkeit aus. Sobald die Amöbe nicht mehr ausreichend mit Nährstoffen versorgt wird, sendet sie chemische Hilferufe an ihre Nachbarn aus: eine kleine Menge des Signalstoffs Cyclisches Adenosinmonophosphat (cAMP). Die Artgenossen registrieren das Signal und senden ihrerseits einen Hilferuf aus. Dadurch entstehen wie von selbst kreisförmige Spiralwellen von Hilferufen. Diesen Hilferufen folgen die Zellen, kriechen zum Wellenzentrum und ballen sich dort zusammen. Dann bilden die Zellen im Verbund einen Fruchtkörper mit Sporen aus, die so lange erhalten bleiben, bis die Umweltsituation wieder Nahrung bietet. In ihren neuen Experimenten und Rechnungen haben die Göttinger Forscher nun untersucht, was genau im Innern der einzelnen Zelle geschieht, wenn sie den Hilferuf empfängt und ihren inneren „Motor“ anschaltet.
„Dicty ist nicht die einzige Zelle, die auf einen äußeren, chemischen Stimulus reagiert“, erklärt Eberhard Bodenschatz, Direktor am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation die Motivation für die neue Studie. Die Zellen von Embryonen in einem sehr frühen Entwicklungsstadium etwa sind zunächst alle gleich. Ein Mensch oder Tier könnte so daraus nicht entstehen. Erst unterschiedliche Konzentrationen bestimmter Signalstoffe bewirken, dass sich einige der Zellen etwa zu Gehirnzellen, andere zu Muskel- oder Knochenzellen entwickeln – und zwar möglichst an der richtigen Stelle. Ganz ähnlich regen bestimmte chemische Stoffe Zellen zur Wundheilung an.
Eine entscheidende Rolle spielt das Strukturprotein Aktin. Als Geflecht feiner Röhren und Fasern durchzieht es das Innere der Zellen, verstärkt ihre Membran und verleiht so der gesamten Zellstruktur Stabilität – wie eine Art Skelett. Wissenschaftler sprechen vom Zytoskelett. Durch äußere chemische Reize gerät dieses Netzwerk in Bewegung: Im Innern wird Aktin ab-, an der Innenseite der Zellmembran verstärkt aufgebaut.
„In unseren Experimenten haben wir gezielt einzelne Zellen mit einer räumlich und zeitlich scharf begrenzten Konzentrationsänderung von cAMP konfrontiert“, erklärt Christian Westendorf vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, der die Versuche durchgeführt hat. Schlüssel zu diesem Kunststück ist der Stoff DMNB-cAMP. „Ein kurzer Laserpuls kann diese Verbindung zerstören und so den Signalstoff cAMP freisetzen“, erklärt Westendorf. Um unterm Mikroskop die anschließende Reaktion der Zelle zu verfolgen, wurde ihr Aktin mit einem Fluoreszenz-Marker versehen.
Erstaunlicherweise zeigten die Aufnahmen, dass nicht alle Amöben gleich reagieren. Während sich das Zytoskelett bei einigen nur einmal nach außen verlagerte und dann wieder den Ausgangszustand annahm, kam es bei anderen zu mehreren Schwingungen. „In einem kleinen Prozentsatz der Zellen schwingt die Aktinstruktur sogar völlig ohne äußeren Reiz“, so Westendorf.
Um diesen Schwingungen nachzugehen, setzten die Forscher die Zellen in einem zweiten Schritt periodischen Stimulationen aus. Dabei zeigte sich bei einer Periode von etwa 20 Sekunden die stärkste Reaktion. „Dies beweist, dass der 20-Sekunden-Rhythmus eine intrinsische Eigenschaft jeder Dicty Zelle ist“, so Carsten Beta, der am MPIDS und an der Universität Potsdam forscht und lehrt. Die Situation ist vergleichbar mit der eines Pendels, das mit einer ihm eigenen Frequenz schwingt. Stößt man das Pendel mit einer ähnlichen Frequenz an, ist der Ausschlag am stärksten.
Doch die Ergebnisse zeigen noch mehr: „Die Amöben leben offenbar am Rande einer Instabilität“, erklärt Bodenschatz. Bereits kleinste, kaum messbare Veränderungen der äußeren Bedingungen können das Zytoskelett in Schwingung versetzen – oder auch nicht. Ein theoretisches Modell, mit dem die Forscher den Auf- und Abbau des Zytoskeletts beschreiben, kommt zu demselben Ergebnis. Ein ähnliches Verhalten ist etwa von den Haarzellen im Innenohr bekannt. „Jede der Zellen ist somit eine Art Verstärker für äußere Reize: Winzige Unterschiede in den äußeren Bedingungen führen zu gravierenden Änderungen im Verhalten“, so Bodenschatz. Die Zellen können dadurch besonders sensibel auf solche Unterschiede reagieren.
Warum der innere Takt der Amöben in etwa 20 Sekunden folgt, ist allerdings noch unklar.
In ihrer natürlichen Umgebung sind die Einzeller solch vergleichsweise schnellen Signalen nicht ausgesetzt. Die Hilferufe ihrer Artgenossen erfolgen in der Regel im Abstand einiger Minuten. „Allerdings bilden die Zellen bei der Fortbewegung im Abstand von zehn bis 20 Sekunden Ausstülpungen der Zellmembrane aus“, so Bodenschatz. „Möglicherweise braucht die Zelle diese innere Uhr um sich fortzubewegen.“
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