Proteinfasern

Rasch durch ein Ged­­­ränge

Biofilamente breiten sich deutlich rascher aus, wenn sie in ein Gedränge geraten. Das zeigen Computersimulationen von Innsbrucker und Düsseldorfer Biophysikern. Demnach hemmt ein dichtes Netzwerk von langen Fasern deren Rotation und fördert so unerwarteter Weise deren weitere Ausbreitung.

Das Inneren von Zellen wird vom sogenannten Zytoskelett strukturiert. Dieses besteht aus einem dichten Netzwerk von Proteinfasern, den sogenannten Filamenten. Die Dynamik dieser selbst-angetriebenen Filamente steuert wesentliche Funktionen der Zelle. Bisher konnte die Wissenschaft die Bewegung von Filamenten im Inneren von Zellen nicht präzise beschreiben. Suvendu Mandal, Christina Kurzthaler und Thomas Franosch vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck und Hartmut Löwen von der Universität Düsseldorf konnten nun mit Hilfe von Computersimulationen zeigen, dass die Ausbreitung umso rascher erfolgt, je dichter die Filamente in der Zelle beieinander liegen. Diese zunächst nicht eingängige Erkenntnis eröffnet neue Möglichkeiten für die Kontrolle sich bewegender Objekte.

Überraschendes Verhalten

Am Computer simulierten die Forscher eine Lösung schwimmender Filamente. „Zwischen Kollisionen mit Nachbarn schwimmt jedes Filament mit konstanter Geschwindigkeit in Richtung seiner Längsachse, wobei sich die Richtung mit der Orientierung der Faser ändern kann“, beschreibt Christina Kurzthaler, die heute als Postdoktorandin an der Princeton University forscht. „Unsere Simulationen zeigen, dass sich in Regionen mit sehr vielen Filamenten deren Verhalten verändert. Durch die Wechselwirkung mit den Nachbarn werden die Filamente am Rotieren gehindert. So halten die Fasern eine konstantere Schwimmrichtung ein und breiten sich stärker als in dünn besetzten Regionen aus“, ergänzt Suvendu Mandal, der heute an der Uni Düsseldorf tätig ist. Die Forscher zeigen, dass die Ausbreitungsrate in überfüllten Regionen um mehr als eine Größenordnung höher sein kann und erklären das Phänomen mit Hilfe einer Skalentheorie .

Besseres Verständnis realer Systeme

Mit den Ergebnissen, die unlängst in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurden, liefern die Forscherinnen und Forscher eine Grundlage für ein besseres Verständnis des Transports in realen biologischen Systemen wie dem Zellinneren, in Biofilmen und Böden. Sie stoßen aber auch neue Untersuchungen von komplexen Medien an, die aus Objekten unterschiedlicher Art und Größe bestehen. Die Forschungen wurden unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF finanziell unterstützt.

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