Genauer im Blick, wie Zellen auf mechanische Kräfte reagieren
Zellen, die mit spezialisierten Proteinen ausgestattet sind, die sich in ihrer Plasmamembran befinden, können auf eine Vielzahl biochemischer und mechanischer Reizen aus ihrer Umgebung reagieren. „Nehmen diese spezialisierten Rezeptoren das Wirken mechanischer Kräfte an der Zelloberfläche wahr, ändern sie ihren Konformationszustand und verbinden sich mit anderen molekularen Adaptern, um diese Information an das Zellinnere weiterzuleiten“, erklärt Maria Garcia-Parajo(öffnet in neuem Fenster), Forschungsprofessorin am Institute of Photonic Sciences(öffnet in neuem Fenster) (ICFO). Funktioniert dieser Prozess, ermöglicht er Zellentwicklung, Wundheilung und Gewebeerhaltung. Aber warum wirkt er nicht immer? Um diese Frage zu beantworten, hat das Team des EU-finanzierten Projekts NANO-MEMEC die Plasmamembran der Zelle unter die Lupe genommen.
Erstmalig eingesetzte Instrumente und Methoden
In der Wissenschaft ist zwar bekannt, dass die Art und Weise, wie sich die Membranrezeptoren an der Plasmamembran dynamisch organisieren, eine entscheidende Rolle in Bezug auf ihre Funktion und die Reaktion der Zelle spielt, aber es wird nicht ganz durchschaut, wie diese Organisation auf mechanische Reize reagiert. „Das ist der Bereich, den wir innerhalb des Projekts NANO-MEMEC erkunden wollten“, sagt Garcia-Parajo, Hauptforscherin des Projekts. Aber das war leichter gesagt als getan. Grund dafür war, dass die Organisation der Moleküle an der Plasmamembran im Nanometerbereich beginnt, wobei mehrere – und unterschiedliche – Moleküle auf dynamische Weise zusammentreffen. Dazu mussten im Rahmen des Projekts erstmals Instrumente entwickelt werden, mit denen sichtbar wird, wie verschiedene Einzelmoleküle in der Membranebene zusammenkommen, um Nanoplattformen mit biologischer Aktivität zu bilden. Die Forschenden erdachten außerdem Methoden, um mechanische Störeinflüsse auszuüben, die vollständig mit diesen bildgebenden Verfahren kompatibel sind. „Dies sind bedeutende technologische Durchbrüche, die die wissenschaftliche Gemeinschaft bereits in ihrer Forschung anwenden kann“, fügt Garcia-Parajo hinzu.
Membranrezeptoren genau im Blick
Mithilfe dieser Instrumente hat das Team des vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) unterstützten Projekts die räumliche und zeitliche Organisation verschiedener Membranrezeptoren genauer betrachtet. Es stellte fest, dass das kortikale Aktin-Zytoskelett, ein spezialisiertes Aktin- und Myosin-Netzwerk, das sich direkt unter der Zellmembran befindet, eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Organisation von Plasmamembranrezeptoren übernimmt. Diese Rolle gilt sogar für jene Rezeptoren, die nicht direkt mit dem Aktin interagieren. Gleichermaßen entdeckten die Forschenden, dass die mechanischen Kräfte direkt auf die kortikale Aktomyosin-Maschinerie einwirken, die ihrerseits die Organisation der Plasmamembran umgestaltet. Dieser Mechanismus gilt allgemein, da er nicht von spezifischen Rezeptoren oder Molekülen abhängt und daher wahrscheinlich in verschiedenen Kontexten oder Zellen funktioniert.
Wie sich Zellreaktionen auf die Allgemeingesundheit auswirken
Die Arbeit des Projekts NANO-MEMEC hat durch die Bereitstellung neuer Werkzeuge und Erkenntnisse über die räumliche und zeitliche Organisation von Membranrezeptoren unser Verständnis dafür erweitert, wie Zellen auf mechanische Kräfte reagieren und warum dieser Prozess manchmal nicht funktioniert. „Obwohl unser Projekt von Natur aus Grundlagenarbeit umfasste, wurde mit ihm die Tür geöffnet, um untersuchen zu können, wie sich eine Fehlfunktion in der Art und Weise, wie Rezeptoren mechanische Reize wahrnehmen und/oder darauf reagieren, auf unsere Gesamtgesundheit auswirkt und Krankheiten wie etwa Krebs verursacht“, fasst sie zusammen. Garcia-Parajo arbeitet gegenwärtig daran, Rückkopplungsschleifen zwischen der Membran und der kortikalen Aktomyosin-Maschinerie aufzudecken. Damit hofft sie, nachweisen zu können, dass mit einem physikalischen Parameter wie der Membranspannung die biochemische Rezeptoraktivierung zu umgehen ist und Rezeptorsignalwege an der Plasmamembran ausgelöst werden können.
