Studie stellt konventionelle Erkenntnisse darüber in Frage, wie Zellmembranen funktionieren.

Wenn Sie verstehen wollen, wie die Zellmembran funktioniert, sagt Adam Cohen, suchen Sie nicht weiter als in Ihrer Küche.

Cohen, Professor für Chemie und Chemische Biologie sowie für Physik, ist der Hauptautor einer neuen Studie, die die herkömmlichen Theorien über die Fluidität von Zellmembranen und ihre Reaktion auf Spannungen umstößt.

Wissenschaftler glauben seit langem, dass Membranen wie eine zähflüssige Flüssigkeit wirken, die Honig ähnelt, und dass Spannungen fast sofort von einer Seite einer Zelle auf die andere übertragen werden können, aber Cohen und Zheng Shi, ein Postdoktorand, der in Cohens Labor arbeitet, zeigten, dass sie tatsächlich näher an einem halbfesten wie Jell-O sind. Die Studie wird in einem Papier vom 1. November beschrieben, das in Cell veröffentlicht wurde.

„Das herkömmliche Bild ist, dass die Membran das ist, was wir eine zweidimensionale Flüssigkeit nennen, was bedeutet, dass die Lipidmoleküle, aus denen sie besteht, in der Ebene der Membran stecken bleiben…. aber in dieser Ebene können sich diese Moleküle bewegen“, sagte Cohen. „Es ist, als ob die Leute in der Grand Central Station herumlaufen – jeder ist an der Ebene des Bodens befestigt, aber er kann sich bewegen. Die Menschen haben Experimente durchgeführt, bei denen sie Transmembranproteine markierten, die in der Membran sitzen und sie diffus herumlaufen sahen.

„Die Leute hatten angenommen, dass die Membran, weil sie wie eine Flüssigkeit wirkte, wenn man auf einer Seite daran zerrte, fließen würde, bis die Spannung wieder ausgeglichen war“, fuhr er fort. „Die Leute dachten, dass diese Ausbreitung von Spannungen sehr schnell sein würde, und dass es eine Möglichkeit für Zellen sein könnte, von einem Teil der Membran zum anderen zu gelangen.“

Aber während es viele Studien gegeben hatte, die darauf hindeuteten, dass Membranen auf diese Weise arbeiten, gab es kaum experimentelle Beweise dafür.

Welche Arbeit es gab, sagte Cohen, kam aus Experimenten, in denen Forscher „synthetische“ Membranen schufen, und zeigte dann, dass die Spannung fast sofort von einer Seite auf die andere übertragen wurde.

Mit diesem Verständnis vor Augen machten sich Cohen und Shi daran, diese Spannungsübertragung in Aktion zu sehen, indem sie ein fluoreszierendes Protein entwickelten, das aufleuchten würde, wenn sich das Signal durch die Membran bewegte.

„Die Idee war, dass wir diesen unglaublich empfindlichen Tastsinn haben, der durch diese spannungsgesteuerten Ionenkanäle wirkt, und ich dachte, es wäre cool, wenn, anstatt nur die Berührung elektrische Signale in unseren Neuronen erzeugt…. wenn wir die Berührung direkt sehen könnten“, sagte Cohen. „Also machte Zheng diese Sensoren und wir versuchten, sie zu kalibrieren, indem wir an einer Seite einer Zelle zogen und nach Änderungen in der Signalisierung suchten, und seine Experimente machten einfach keinen Sinn. Er machte das Experiment weiter und sah keine Antwort.“

Während es an dieser Stelle vielleicht einfach gewesen wäre, einfach zu entscheiden, dass das Experiment nicht funktioniert und aufzugeben, begannen Cohen und Kollegen sich stattdessen zu fragen, ob diese grundlegenden Annahmen über Zellmembranen falsch sein könnten.

„Also richtete Zheng ein sehr einfaches Experiment ein, bei dem er zwei Sonden auf mechanische Stellglieder hatte“, sagte er. „Er zerrte an zwei Stellen an der Membran und maß die Spannung…. und sah keine Kupplung. So konnte er an einem Ende alles ziehen, was er wollte, und am anderen Ende gab es absolut nichts. Dann machte er das gleiche Experiment mit freien Membranen, die von der Zelle getrennt waren, und er sah eine perfekte Kopplung. Das sagt uns, dass es etwas grundlegend anderes an der Membran gab, wenn sie auf der Zelle war, als wenn sie isoliert wurde.“

Dieser grundlegende Unterschied, so Cohen und Kollegen, sind die Proteine, die in lebenden Zellen in der Membran sitzen und an das Zytoskelett der Zelle gebunden sind.

„Diese Proteine können sich nicht bewegen“, sagte Cohen. „Und jeder einzelne wirkt wie eine immobile Barriere, also muss jeder Strom um ihn herum fließen – es ist, als ob man eine Reihe von Leuten im Grand Central Station hat, die einfach stillstehen.“

Cohen und Kollegen schätzten, dass diese Proteine bis zu 20 Prozent der Zellmembran einnehmen – genug, um einen tiefgreifenden Einfluss auf die Funktionsweise der Membran zu haben.

„Sie denken vielleicht, dass, wenn Sie zehn oder 20 Prozent Ihres Raumes mit Hindernissen einnehmen, Sie einen Effekt von zehn oder 20 Prozent sehen würden, aber es stellt sich heraus, dass es einen zehntausendfachen Effekt auf die Fließfähigkeit der Membran hat“, sagte Cohen. „Die Analogie, die jedem bekannt ist, ist Götterspeise. Wenn Sie Wackelpudding herstellen, macht die Gelatine nur etwa fünf Prozent des Rezeptes aus – die überwiegende Mehrheit ist nur Wasser.

„Eine fünfprozentige Zuckerlösung fließt genau wie Wasser, aber ein fünfprozentiges Gelatinegel fließt überhaupt nicht, weil sich die Gelatine-Stränge verheddern und sich nicht relativ zueinander bewegen können, so dass Wasser eingeschlossen wird, weil es nicht durch die molekularen Räume zwischen den Strängen fließen kann“, fuhr er fort. „Aber wenn Sie klares Gelee nehmen und einen Tropfen Farbe darauf geben, werden die Farbstoffmoleküle durch es diffundieren…. weil die Moleküle klein genug sind, um sich durchzudrücken.“

Das gleiche Prinzip, sagte er, scheint in Zellmembranen am Werk zu sein.

„Einzelne Moleküle sehen aus, als würden sie sich frei herumstreuen, weil sie es im Grunde sind – sie können sich durch die Risse quetschen“, sagte Cohen. „Aber das sollte nicht zu dem falschen Schluss führen, dass die Membran wie eine Flüssigkeit fließt, denn es gibt Hindernisse, die festsitzen und wie die Gelatine wirken.“

In Zukunft sagte Cohen, dass es zwei Möglichkeiten für weitere Forschungen gibt.

„Es wäre trotzdem interessant, eine gute Möglichkeit zu haben, die Membranspannung abzubilden“, sagte er. „Also sind wir wieder bei der ursprünglichen Frage, um zu erklären, wie die Spannung in den Zellen reguliert wird, wenn sie Eingaben verschiedener Art erhalten.“

Cohen plant auch zu untersuchen, ob es einige Zellen geben könnte, die Spannungen über die Membran übertragen, in der Hoffnung, zu erforschen, welche besonderen Rollen diese Zellen einnehmen könnten.

Das neue Verständnis der Funktionsweise von Membranen, so Cohen, könnte erhebliche Auswirkungen nicht nur auf die zukünftige Durchführung biologischer Experimente durch Wissenschaftler haben, sondern vielleicht sogar eines Tages Auswirkungen auf die Art und Weise, wie wir Krankheiten behandeln.

„Die Membransignalisierung ist für fast alle Aspekte des Lebens von grundlegender Bedeutung, denn so gelangen Informationen von außerhalb der Zellen zu den inneren Zellen“, sagte Cohen. „Die überwiegende Mehrheit der Medikamente wirkt auf Transmembranproteine. Alle unsere Neuronen, alle Ionenkanäle und die synaptischen Rezeptoren sind Transmembranproteine, so dass ich erwarte, dass es viele Orte geben wird, an denen sich dies als wichtiger Parameter erweist.

„Aber jetzt, da wir wissen, dass Spannung nicht einheitlich ist – und in der Tat in verschiedenen Teilen der Zelle ganz unterschiedlich sein kann -, deutet dies darauf hin, dass es etwas sein könnte, mit dem Zellen verschiedene Prozesse regulieren“, fuhr er fort. „So machen Assays Leute an Proteinen in diesen synthetischen Doppelschichten, wo die Spannung homogen ist, könnte wichtige Regulationsmechanismen übersehen….also ist dies ein Parameter, über den die Leute nachdenken müssen.“

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