Zellbiologie

Wie funktioniert die Zelle?

Selbst bei primitiv erscheinenden Organismen, wie der im Waldboden lebenden Amöbenzelle namens Dictyostelium, ist die Wissenschaft noch weit davon entfernt, sie wenigstens in Grundzügen zu verstehen, sagt Prof. Dr. Markus Maniak. „Das Zusammenspiel von 10.000 verschiedenen Proteinen sei nun mal etwas unübersichtlich“. Solche Modellsysteme erlauben aber nach entsprechenden experimentellen Bemühungen Einblicke in einzelne Funktionen der Zelle, die sich auch auf andere, z.B. menschliche, Zellen übertragen lassen. Sein Fachgebiet Zellbiologie, Teil des Kasseler Center for Interdisciplinary Nanostructure Science and Technology (CINSaT), ist einer simpel anmutenden Fragestellung gewidmet, nämlich wie sich Zellen ernähren.

Maniak zieht zunächst den Vergleich zur menschlichen Physiologie, bei der sich die Teilschritte verdeutlichen lassen: Speisen und Getränke werden durch Kraft von Muskeln in den Körper eingebracht, gelangen dann in Organe wie Magen und Darm, wo sie in ihre Bestandteile zerlegt werden. Während unverdauliche Reste, wie Ballaststoffe, ausgeschieden werden, gelangen energetisch wertvolle Bruchstücke in das Blut, wo sie alle Gewebe mit Energie versorgen und eventuelle Überschüsse in Fettpölsterchen landen.

Alle diese Vorgänge müssen in einer einzelnen Zelle auch verwirklicht sein und dort miniaturisiert, eigentlich eher mikro- oder gar nanoaturisiert vorliegen“ sagt Maniak. Dabei übernehmen mikrometergroße Organellen die Funktion der Organe und nanometergroße Proteine oft die Funktion von Zellen. Um das zu illustrieren, geht Maniak fast 20 Jahre zurück: „Damals wiesen wir nach, dass die Proteine Coronin und Aktin die Kraft erzeugen, die zur Aufnahme von Nahrung in die Zelle notwendig ist.“ Die Nahrung liegt dann in kleinen membran-umhüllten Bläschen, den frühen Endosomen, vor. Auch in diese wird zunächst „Magensäure“ und anschließend spezialisierte Verdauungsenzyme abgegeben, die die Nahrung zerlegen, wie Maniaks Gruppe dokumentieren konnte. Späte Endosomen, die erstmalig von Maniak identifiziert wurden, entsprechen eher dem Darmabschnitt in dem die Magensäure bereits wieder neutralisiert wurde. An der Kasseler Universität gelang es ihm dann zu zeigen wie die nützlichen Nahrungsbestandteile über die Endosomenmembran hinweg transportiert werden und Zellen kleine Fettdepots anlegen.

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von Amöbenzellen mit künstlicher Farbgebung. Man sieht eine Amöbe (gold) die Hefepartikel (rot) aufnimmt. Das Bild ist ca. 15 µm hoch.
Im Bild wurde die Zellmembran (gold) teilweise entfernt, so dass das Zellinnere (grau), sowie zwei zuvor aufgenommene Hefen (rot) wieder sichtbar werden. Das Bild ist ca. 15 µm hoch.

Was sich so einfach zusammenfassen lässt, ist in Wirklichkeit die Arbeit von zahlreichen engagierten Mitarbeitern über viele Jahre hinweg. „Pro Jahr bringt es die Gruppe nur auf die Untersuchung von einer knappen Handvoll Proteine“ gibt Maniak zu bedenken. Das liegt an den aufwändigen Untersuchungsverfahren und an der Liebe zum Detail. Wenn sich einer seiner Mitarbeiter auf die funktionelle Analyse eines Proteins einlässt, wird zunächst das dazugehörige Gen aus dem Zellkern der Amöbe isoliert. Dieses stellt den Ausgangspunkt für eine Reihe von molekularbiologischen Experimenten dar.

Ein Indiz für die Funktion eines Proteins ist dessen Aufenthaltsort in der Zelle. Um diesen zu prüfen wird das Gen für das fragliche Amöbenprotein mit einem speziellen Gen aus einer Qualle fusioniert, so dass das entstehende hybride Protein in der Amöbenzelle so grün fluoresziert wie es die Qualle im Aquarium tut. Die Verteilung des grün fluoreszierenden Hybrids in der Zelle wird dann im direkten Vergleich zu den Färbemustern betrachtet, die Maniak und seine Mitarbeiter im Laufe der Jahre für die einzelnen Organellen der Amöbenzelle entwickelt haben. Da einzelne Organellen jeweils auf einen Teil des Zellstoffwechsels spezialisiert sind, lässt sich aus dem Ergebnis bereits ein erster Verdacht für die Funktion des fraglichen Proteins ableiten.

Ein weiterer Test für die Funktion eines Proteins besteht darin die Konsequenzen seines Verlusts zu untersuchen. Dazu wird das zugehörige Gen aus dem Zellkern der Amöbenzelle zielgerichtet entfernt und dabei durch einen selektionierbaren Marker, meist eine Antibiotikaresistenz, ersetzt. Die entstehende Zelle nennt man Null- oder Minusmutante. Sie muss aus einer Vielzahl von Zellen identifiziert und die Veränderung ihres Genoms aufwändig überprüft werden. Anschließend werden die physiologischen Funktionen und der Metabolismus der Mutante durch eine Reihe von Verfahren auf Veränderungen gegenüber der „normalen“ Zelle, des sogenannten Wildtyps untersucht.

Optische Schnitte durch eine lebende Zelle
Optische Schnitte durch eine lebende Zelle mit einem konfocalen Laser-Scanning Mikroskop. Die Bilder zeigen die Zeitserie einer Zelle während der Aufnahme eines rot gefärbten Hefepartikels. Sie wurden im Abstand von 30 Sekunden aufgenommen. Ein Hybridprotein markiert die Arktinfasern des Zellskeletts und fluoresziert grün in der Zellperipherie. Bild 1: Bereiche der Zelle, die sich verformen (z.B. links oben), enthalten die höchste Konzentration des Hybridproteins. Bild 2 und 3: Die Zelle schiebt ihre Membran mit Hilfe des Zellskeletts über das Partikel (unten). Bild 4 und 5: Nachdem die Hefe vollständig aufgenommen ist, fällt das Zellskelett vom Nahrungsbläschen ab.

Im Idealfall weisen die Ergebnisse der Lokalisationsuntersuchung mit dem fluoreszierenden Protein  und der Funktionsprüfung anhand der Mutante übereinstimmend auf dieselbe Organelle und den damit assoziierten Stoffwechselweg hin. So entsteht im Laufe der Untersuchungen eine Sammlung von Proteinen, für die ihr Bestimmungsort in der Zelle sowie ihre dortige Funktion bekannt ist. „Richtig Nano wird das erst, wenn man das zusammengetragene Material als Baukasten begreift und durch Zusammenstellen geeigneter Proteinmodule gewünschte Funktionen an beliebigen Orten hervorrufen kann, wo sie die Natur ursprünglich nicht vorgesehen hatte“, schwärmt Maniak. Eine Reihe von solchen zielgerichteten Eingriffen in die Zelle ist ihm und seiner Gruppe bereits gelungen.

Ein Beispiel erhielt den Namen „Nanoskalpell“. Proteine wie Aktin, arbeiten gleichzeitig an mehreren Orten in der Zelle. Dieses Protein ist wichtig für das Zellskelett, also für die Bewegung und Nahrungsaufnahme der Zelle. Da ohne Aktin kein Leben möglich ist, wäre die Herstellung einer Null-Mutante nicht aufschlussreich. Um eine subtile Störung des Aktins an nur einem Ort der Zelle hervorzurufen, wird aus dem Baukasten ein Hybrid konstruiert das einerseits an einen bestimmten Ort in der Zelle, hier wurde das späte Endosom gewählt, läuft und ein Aktin-schneidendes Enzym mit sich führt. Auf weniger als 100 Nanometer genau zerstört das Schneide-Protein das Aktin-Skelett der Endosomen, worauf diese zwar in der Zelle verklumpen, aber darüber hinaus keine Schäden aufweisen.

Ortsspezifischer Abbau des Zellskeletts. Darstellung einzelner optischer Ebenen von zwei fixierten Zellen, die Hybridproteine (rot) produzieren.

Mit einer anderen Kombination von Proteinmodulen aus seinem Baukasten kann Maniak auf den fettspeichernden Organellen oder auf sogenannten Peroxisomen Aktin wachsen lassen, wo es normalerweise nicht vorkommt. Obwohl der Zweck dieser Übung nicht klar ist, wirkt Maniak zufrieden: „Man hat ein Protein erst richtig verstanden, wenn es das tut, was man will und wo man es will.“

In einem anderen Experiment beweist ein neues Hybrid aus dem Baukasten kürzlich sogar heilende Kräfte: Eine Mutantenzelle, der ein Enzym des Fettstoffwechsels in den Peroxisomen zunächst zielgerichtet entfernt wurde, konnte anschließend dadurch geheilt werden indem ein normalerweise auf den Endosomen beheimatetes Enzym molekulargenetisch in die Peroxisomen „transplantiert“ wurde. Eine solche Operation setze eine recht detaillierte Kenntnis der beteiligen Prozesse voraus, sagt Maniak.

Obwohl sein molekularer Baukasten bereits für viele Anwendungen gerüstet ist, will Maniak weitermachen, um noch mehr über diejenigen Regeln zu lernen, die bestimmen an welchem Ort ein bestimmtes Protein in der Zelle landet. Sein neuestes Steckenpferd ist ein Satz von ungefähr 10 neuen Proteinen die, je nach physiologischer Situation der Zelle, von einer Organelle auf eine andere springen. Wie sie das tun ist nicht nur in der Amöbe völlig unklar. „Auf diesem Gebiet gibt es noch vieles zu entdecken, wovon auch Wissenschaftler profitieren können, die an Zellen des Säugetiers oder des Menschen arbeiten“, hofft Maniak.


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Professor Markus Maniak

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Fachbereich 10 - Naturwissenschaften & Mathematik
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Telefax +49 561 804-4592
E-Mail-Adresse maniak@uni-kassel.de
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