Mit optischer Pinzette den Lebenszyklus der Zelle erfühlen

Die Zellteilung ist ein grund­legender Prozess des Lebens. Form und mecha­nische Eigen­schaften von Zellen verändern sich bei der Teilung. Bislang ist wenig darüber bekannt, was genau im Inneren der Zelle während der Zell­teilung vor sich geht. Ein in Göttingen und Münster ansässiges Forschungs­team hat heraus­gefunden, dass das Innere der Zelle weicher und flüssiger wird, während es gleich­zeitig während der Zell­teilung weniger aktiv ist.

Die mechanischen Eigen­schaften des Zell­inneren beein­flussen die Prozesse während der Zell­teilung. Sie entscheiden mit, wie die Zellbestandteile verteilt werden oder wie das genetische Material aufge­teilt wird. Es ist jedoch schwierig, das Innere einer lebenden Zelle zu unter­suchen, ohne sie zu beschädigen. Mit Hilfe einer optischen Pinzette könnten die Forscher jedoch in eine Zelle „hinein­fühlen“, ohne sie zu tat­säch­lich zu berühren oder zu verletzen. Dieses Werkzeug besteht aus hoch­fokus­sierten Infra­rot­lasern, die intra­zelluläre Partikel einfangen und in Schwingung versetzen können. Das Forschungs­team kann auf diese Weise detail­lierte mikro­sko­pische Messungen in Echtzeit durch­führen.

So konnte das Team die Eigen­schaften im Inneren der Zelle während der gesamten Zell­teilung über­wachen. Zu diesem Zeit­punkt wird in Stoff­wechsel­prozessen chemische Energie in mecha­nische Energie umge­setzt, um Kompo­nenten inner­halb der Zelle zu trans­por­tieren. So konnte das Team nicht nur mecha­nische Eigen­schaften wie die Festig­keit unter­suchen, sondern auch messen, wieviel Energie die Zelle auf diese Kompo­nenten ausübt.

Die Forscher zeigen, dass biolo­gische Zellen während der Zell­teilung in ihrem Inneren weicher und flüssiger werden, und die Aktivität inner­halb der Zelle abnimmt, während die Hülle steifer und runder wird. Diese Entwick­lung im Inneren kann dazu beitragen, dass sich die Orga­nellen, spezielle Strukturen innerhalb der Zellen, präzise und gerecht auf die beiden ent­stehenden Tochter­zellen auf­teilen.

„Für den Organismus ist es entscheidend, dass bei der Zell­teilung alles nach Plan läuft. Diesen Prozess zu verstehen, ist wichtig, denn schon geringe Abweichungen können zum Zelltod oder zu Mutationen führen, die die Bildung von Krebs­zellen begünstigen – was die Gesund­heit und Fort­pflanzungs­fähig­keit des Orga­nismus beein­trächtigt“, erläutert Timo Betz von der Uni Göttingen. „Wir vermuten, dass die versteifte Zell­ober­fläche das geschwächte Zell­innere schützt. Möglicher­weise sorgt das weicher gewordene Innere auch dafür, dass der Trans­port­prozess von DNS und Orga­nellen bei der Trennung der beiden Tochter­zellen erheb­lich erleichtert wird.“

GAU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Hurst et al.: Intracellular softening and increased viscoelastic fluidity during division, Nat. Phys., online 21. Oktober 2021; DOI: 10.1038/s41567-021-01368-z
• Gruppe Betz, III. Physikalisches Institut – Biophysik, Georg-August-Universität Göttingen

Weitere Beiträge

• Timo Betz, Gut geschüttelt, nicht gerührt (Physik Journal, Februar 2018, S. 29) PDF
• Klaus Kroy, Ein ganz besonderer Saft (Physik Journal, April 2016, S. 20) PDF
• Christoph F. Schmidt, Fesselnde Laserstrahlen (Physik Journal, Dezember 2018, S. 24) PDF