Wie dicht ist es im Inneren lebender Zellen?

Lehrbücher beschreiben den Zellkern als einen Raum, der mit einer beeindruckenden Menge an DNA gewickelt um Histonproteine gefüllt ist. Nun hat ein internationales Forscherteam unter Beteiligung des Max-Planck-Zentrums für Physik und Medizin, Erlangen (MPZPM), des MPI für Infektionsbiologie, Berlin (MPIIB) und des MPI für die Physik des Lichts, Erlangen (MPL) entdeckt, dass der Zellkern entgegen den Erwartungen weniger dicht ist als das umgebende Zytoplasma. Trotz ihrer reichhaltigen biomolekularen Zusammensetzung enthalten Zellkerne im Vergleich zum gleichen Volumen des umgebenden Zytoplasmas weniger Trockenmasse.

Mehr zu Zellkernen

11.10.2024 • Nachricht • Forschung

Intramolekulare Abstände in Biomolekülen optisch mit hoher Genauigkeit gemessen

03.09.2024 • Nachricht • Forschung

Zellkerne im Nadelöhr

23.08.2024 • Nachricht • Forschung

Wie Zellkerne Augen und Gehirn organisieren

25.02.2021 • Nachricht • Forschung

Wie Zellprozesse sich orientieren

Elisabeth Fischer-Friedrich • 9/2022 • Seite 46

Formbar fürs Leben

„Es ist unerlässlich, die ‚reale‘ Umgebung innerhalb von Zellen zu verstehen, da sie die bio­molekulare Struktur, Dynamik und Funktion beeinflusst. Die wichtigste Erkenntnis unserer Studie ist, dass verschiedene Spezies zwar in ihrer absoluten intra­zellulären Dichte stark variieren. Das Verhältnis zwischen Kern- und Zyto­plasma­dichte (NC) bleibt jedoch gleich,“ erklärt Simone Reber, MPIIB und Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin. „Obwohl jeder Organismus in seiner bio­moleku­laren Zusammen­setzung einzigartig ist, ist es wahr­scheinlich, dass die grundlegenden physika­lischen Prinzipien des Druckgleichgewichts die Dichte und das Volumen des Zellkerns bestimmen“, ergänzt Vasily Zaburdaev, MPZPM und Friedrich-Alexander-Univer­sität Erlangen-Nürnberg.

Für die Messungen nutzen die Forschenden Licht. Es ermöglicht nicht nur die Unter­suchung von Zellen, sondern auch deren Manipu­lation: Laser­strahlen können an Zellen „ziehen“ und mit einem „optischen Stretcher“ deren mechanische Eigen­schaften messen. „Wir hatten zuvor versucht, unseren optischen Stretcher auf Zell­kerne anzuwenden, waren jedoch nicht erfolg­reich. Die physika­lisch plausible, damals aber biolo­gisch nicht nach­voll­ziehbare Erklärung war, dass der Zellkern eine geringere Dichte als das ihn umge­bende Material hatte“, merkt Jochen Guck, MPZPM und Direktor am MPL, Erlangen an. Daher entwickelten die Forschenden ein Setup, das optische Beugungs­tomographie (Optical Diffraction Tomography, ODT) und konfokale Fluoreszenz­mikroskopie miteinander kombiniert. So erhalten sie eine drei­dimensionale Dichte­verteilung innerhalb von Zellen mit hoher Auflösung.

„Während die NC-Dichte­verhältnisse von Hefe- bis zu mensch­lichen Zellen gleich­bleiben, sehen wir bei Krank­heiten Abweichungen. In Stress­situationen wie dem Altern, also der Seneszenz, werden die Zell­kerne dichter als das Zytoplasma. Die Studie weist somit auf die grundlegende Bedeutung der Dichte als Variable hin, die gesunde Zell­prozesse bestimmt“, sagt Reber. Die Forschenden wollen nun verstehen, wie Zellen eine bestimmte intra­zelluläre Dichte­verteilung aufbauen und aufrecht­erhalten, um weitere bio­physika­lische Mecha­nismen zu entschlüsseln, die im gesunden und im patholo­gischen Zustand Zell­funktionen regulieren. [MPL / dre]