Wie Cluster ihre Form bekommen

Aktiver und passiver Austausch von Zellmaterial steuert die Bildung von Clustern auf der Membran

• Der Austausch von Molekülen zwischen Zellen und ihrer äußeren Membran bestimmt die Größe und Verteilung der Cluster auf der Oberfläche
• Sowohl der passive als auch der aktive Austausch beschleunigen die Vergröberung: Die Bildung von weniger und größeren Clustern im Laufe der Zeit. Aktiver Austausch kann alternativ die Vergröberung auch unterdrücken
• Das Modell lässt sich auf verschiedene biologische Systeme anwenden, darunter Bakterien, Synapsen und Modellorganismen, bei denen sich Muster bilden

Zellmembranen bilden nicht nur eine Barriere; in ihnen befinden sich auch viele unterschiedliche Moleküle, die der Wahrnehmung dienen und die Zellfunktion gewährleisten. Diese Moleküle gruppieren sich oft zu Clustern und bilden Kondensate, die in die Membran eingebettet sind. Ein Team von Physikern des MPI-DS untersuchte, wie der Austausch von Molekülen mit dem Zellinneren die Größe und Anzahl solcher Cluster beeinflusst. Sie zeigten in ihrem Modell, dass die Vergröberung der Cluster – die Bildung von weniger und größeren Strukturen im Laufe der Zeit – von der Art des Austauschs zwischen der Membran und dem Zellinneren abhängen kann. Findet dieser Austausch passiv statt, beschleunigt er den Vergröberungsprozess.

„Oberflächencluster lassen sich beispielsweise bei Rezeptoren auf der Plasmamembran beobachten, die sich zusammenlagern, um die Signalübertragung zu verbessern“, erklärt David Zwicker, Gruppenleiter am MPI-DS und Leiter der Studie. Eine solche Clusterbildung von Molekülen ist ein häufiges Phänomen in der Zellbiologie, wo Phasentrennung zelluläre Prozesse auslösen kann. Im einfachen Fall, in dem der Austausch passiv stattfindet, führt eine solche Clusterbildung zur Vergröberung, die eine zelluläre Funktion haben kann. Im Gegensatz dazu kann die Vergröberung auch durch einen enzymatisch gesteuerten, aktiven Austausch verursacht werden, der die Vergröberung beschleunigt. Ein Beispiel hierfür ist die Bildung von Polaritätsflecken bei der Zellteilung von Hefe: Hier konzentrieren sich Proteine und definieren so, wo eine neue Knospe entsteht. „Unser Modell liefert eine Erklärung dafür, wie dieser sehr schnelle Rekrutierungsprozess von Proteinen erreicht werden kann“, sagt Riccardo Rossetto, Erstautor der Studie.

Zudem kann der aktive Austausch laut Modell die Vergröberung nicht nur beschleunigen, sondern auch hemmen. Würden sich Membranrezeptoren in Einzellern wie Bakterien alle an einer Stelle ansammeln, wäre die Wahrnehmung der Umgebung auf diesen Punkt beschränkt. Daher müssen die Rezeptorgruppen oder -einheiten über die Membran verteilt sein und gleichzeitig eine dynamische Neuanordnung ermöglichen. Hier ermöglicht der aktive Austausch die Steuerung der Clustergröße und -verteilung.

Die Ergebnisse der Studie tragen dazu bei, zu erklären, wie sich Membranmuster in der Biologie entwickeln und herausbilden. Das zugrunde liegende Modell lässt sich auf eine Vielzahl biologischer Systeme anwenden, darunter Bakterien, neuronale Synapsen und Modellorganismen.