Zellmembranen als Nanopumpen

Biologische Zellmembranen transportieren Moleküle von Zelle zu Zelle. Dabei entstehende Vibrationen konnten jetzt gemessen werden.

Los Angeles (USA) - Amerikanische Forscher sind einem neuen, nanomechanischen Antrieb für Botenstoffe und Proteine zwischen Zellen auf die Spur gekommen: Erstmals konnten sie die winzigen Vibrationen von Hefezellen messen, die vermutlich die Grundlage für eine winzige, effektive Molekülpumpe legen. Die Ursache der wackelnden Zellmembranen fanden die Wissenschaftler in Transportproteinen, die sich zwischen den Zellen bewegen. Ihren neuen Einblick in die Biophysik von Zellen präsentieren sie in der Fachzeitschrift "Science".

"Viele biologische Prozesse innerhalb von lebenden Zellen basieren auf nanomechanischen Eigenschaften von Zellstrukturen", erklären Andrew Pelling und seine Kollegen von der University of California in Los Angeles. Zur Messung der Membranbewegungen tippten sie mit der Spitze eines Rasterkraftmikroskops an die Außenwand von Bäckerhefezellen (Saccharomyces cerevisiae, Abb. 1). Ohne die Zelle selbst zu zerstören, hob und senkte sich diese Spitze mit der Vibration der Zellmembran. Über die Reflexion eines Laserstrahls auf den Hebel, an dessen ende die Spitze sitzt, konnten die winzigen Bewegungen exakt gemessen werden (Abb. 2).

Abb. 1: So sieht eine Hefezelle, die in einer Filterpore festsitzt, unter dem Rasterkraftmikroskop aus. (Quelle: Science)

Bei den 800 bis 1600 Schwingungen pro Sekunde wirkten ausgesprochen geringe Kräfte von rund zehn Nanonewton. Dabei wurden die Zellmembranen mit Amplituden bis zu drei Nanometer ausgelenkt. Den Motor für diese Vibrationen vermutet Pelling in Proteinen, die unentwegt Moleküle oder Chromosomen zwischen den Zellen hin- und hertragen. Wie ein vorbeifahrender Zug Hauswände zum Wackeln bringt, sollen auch diese Proteine die Zellwände zur Schwingung anregen.

Abb. 2: Tippt man mit der Spitze eines Rasterkraftmikroskopes vorsichtig auf die Oberfläche einer Hefezelle, lassen sich die winzigen Vibrationen messen, die wahrscheinlich durch Transportmechanismen in der Membran hervorgerufen werden. (Quelle: Pico Lab UCLA)

"Die beobachtete Bewegung ist vielleicht ein Teil eines Kommunikationskanals oder eines Pumpmechanismusses, durch den die Zellen Nährstoffe oder Chemikalien transportieren", so die Forscher. Nach ihren Versuchen an Hefezellen haben sie nun lebende Zellen von Säugetieren im Blick. Doch hierzu muss die Empfindlichkeit der atomfeinen Spitzen ihrer Mikroskope noch gesteigert werden. Denn im Unterschied zu den recht festen Membranen der Hefezellen weisen die Wände von Säugetierzellen nur eine Federkonstante von rund zwei Tausendstel Newton pro Meter auf. Vermutlich eröffnet auch bei diesen Zellen die nanomechanische Aktivität der Zellwände einen neuen Blick auf eine molekulare Nanopumpe, durch die die bisher bekannten Transportmechnismen in der Molekularbiologie ergänzt werden müssten.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Andrew E. Pelling et al., Local Nanomechanical Motion of the Cell Wall of Saccharomyces cerevisiae, Science 305, 1147 (2004). 
• University of California, Los Angeles: 
  http://www.ucla.edu 
• Dep. Of Chemistry and Biochemistry: 
  http://www.chem.ucla.edu 
• Hintergrund Bäckerhefe (pdf-Dokument): 
  http://www.genetik.uni-koeln.de/.../Vorlesung5-SS04.PDF 
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema Nanomechanik finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. mit Hilfe der Kategorieverknüpfung Festkörperphysik+Biophysik.

Weitere Literatur:

• M. Johnston, M. Calson, The Molecular Biology of the Yeast Saccharomyes: Gene Expression (Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY, 1992). 
• R. Levy, M. Maaloum, Nanotechnology 13, 33 (2003). 
• C. M. Harris, Shock and Vibration Handbook (McGraw-Hill Book Company, New York,