Physik des Lebens: Die Logistik des Molekül-Puzzles

Der effiziente und genaue Zusammenbau makro­moleku­larer Strukturen – etwa von Organellen wie den Ribosomen oder Flagellen – ist für alle Lebewesen essenziell. Dabei werden einzelne Bausteine mithilfe moleku­larer Wechsel­wirkungen autonom zusammen­gefügt. Ein besseres Verständnis der Prinzipien und Mechanismen dieser Selbst­montage und Selbst­organi­sation ist wichtig für die Entwicklung neuer Anwendungen, beispiels­weise in der Nano­techno­logie oder der Medizin. Ein Forscher­team der Uni München um Erwin Frey hat jetzt gezeigt, dass zufällige Effekte dabei eine wichtige Rolle spielen.

Die Wissenschaftler modellierten ein System, in dem eine begrenzte, biologisch relevante Anzahl von Bausteinen durch Selbst­montage zu bestimmten Ziel­strukturen zusammen­gebaut werden. Mithilfe mathe­ma­tischer Simula­tionen konnten sie zeigen, dass in einem hetero­genen System, bei dem sich die Ziel­struktur aus unter­schied­lichen Teilen zusammen­setzt, zufällige Effekte dazu führen können, dass sich über­haupt keine korrekten und voll­ständigen Strukturen bilden, obwohl chemische Berechnungen eine perfekte Ausbeute erwarten lassen. Die Wissen­schaftler bezeichnen dieses Phänomen als „stochas­tische Ertrags­kata­strophe“.

„Das ist fast so, als wolle man ein Puzzle aus magnetischen Teilchen allein durch Schütteln der Schachtel zusammen­setzen“, sagt Florian Gartner aus Freys Team. Auch wenn jedes Puzzle­teil vom richtigen Nachbarn ange­zogen wird, ist es sehr schwierig, das Puzzle in endlicher Zeit fertig­zu­stellen. Das Problem wird noch größer, wenn mehrere Exemplare desselben Puzzles in einer Schachtel gleich­zeitig zusammen­gebaut werden sollen, da sie sich dann gegenseitig Teile stehlen können, sodass kein einziges fertig wird. „Da wir keine Kontrolle über einzelne Teile haben, ist diese Ertrags­kata­strophe ein Effekt des Zufalls“, so Gartner. Keine Rolle spielt das Phänomen nur bei homogenen Ziel­strukturen, die nur aus einem einzigen Baustein­typ bestehen, oder wenn alle Ressourcen im Über­fluss vorhanden sind. Die Optimie­rung der Selbst­montage ist daher eine wichtige Heraus­forderung, um bei der Herstel­lung von Designer-Molekülen nicht teure Komponenten zu verschwenden.

„Prinzipiell geht man davon aus, dass der Ertrag besser ist, wenn die Strukturen nicht gleich­zeitig, sondern nach­ein­ander gebaut werden. Das heißt, die Initi­ierung neuer Strukturen muss viel langsamer als deren Wachstum erfolgen“, sagt Gartner. Die Wissen­schaftler haben jedoch fest­ge­stellt, dass insbesondere bei kleinen Systemen Schwankungen in der Verfüg­bar­keit der verschie­denen Teile die Initi­ierung neuer Strukturen begünstigen, sodass der Selbst­montage­prozess uner­wünschter Weise mit vielen unvoll­ständigen Strukturen endet.

„Unsere Studie legt nahe, dass die Konzen­tra­tion der verschiedenen Bausteine streng kontrolliert werden muss, damit effizient funktio­nelle Wirk­stoffe herge­stellt werden können“, sagt Frey. „Ein wichtiges Ziel zukünftiger Forschungen ist deshalb die Entwick­lung von Strategien, die Schwankungen in der Verfüg­bar­keit der Bausteine redu­zieren und zu effi­zienten Montage­proto­kollen führen.“

LMU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  F. M. Gartner et al.: Stochastic yield catastrophes and robustness in self-assembly, eLife 9, e51020 (2020); DOI: 10.7554/eLife.51020
• AG Frey, Statistische und biologische Physik, Arnold-Sommerfeld-Center für theoretische Physik, Ludwig-Maximilians-Universität München