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Simulationen zu Zellformen Wie Zellen ihre Form finden

Von Angela Wenzik*

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Zellen haben eine flexible Hülle, und viele können sich durch Formänderung fortbewegen. Wie sich die Zellform ändert, haben Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und der ETH Zürich nun in Experimenten und Simulationen untersucht. Ihre Ergebnisse können die Entwicklung synthetischer Zellen voranbringen.

Simulationen von Jülicher Forschern könnten bei der Entwicklung synthetischer Zellen helfen (künstlerische Darstellung).(Bild: Forschungszentrum Jülich und ETH Zürich)
Simulationen von Jülicher Forschern könnten bei der Entwicklung synthetischer Zellen helfen (künstlerische Darstellung).
(Bild: Forschungszentrum Jülich und ETH Zürich)

Jülich, Zürich/Schweiz – Zellen sind nicht nur in ihrer Funktion vielfältig, sondern auch in ihrer Form. Ihre äußere Hülle – die Membran – besitzt keine Muskeln oder vergleichbare Strukturen. Zellformen entstehen stattdessen als Reaktion auf Kräfte im Zellinneren. So sind Zellen oft nicht einfach nur rund wie eine Kugel, sondern haben Beulen, Einschnürungen oder Auswüchse. Sie können unterschiedlichste Formen annehmen, etwa um sich fortzubewegen, durch Engstellen zu schlängeln oder Nährstoffe aufzunehmen. Krankheitserreger, wie der Lebensmittelkeim Listeria monocytogenes nutzen diese Fähigkeiten der aktiven Fortbewegung zum Beispiel, um in gesundes Gewebe einzudringen.

Wie die formenden Kräfte in Zellen erzeugt werden, wie die Membran auf diese Kräfte reagiert und welche Zell-Formen wann entstehen – solchen und ähnlichen Fragen sind die Forscher des Forschungszentrums Jülich und der ETH Zürich nachgegangen, indem sie zwei gut untersuchte Modellsysteme kombinierten und diese sowohl experimentell als auch mit Computersimulationen untersuchten.

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Zellmodell aus gefüllten Vesikeln

Weil die Zellhülle keine aktive Rolle bei der Gestaltgebung von Zellen spielt, ersetzten die Forscher sie in ihren Untersuchungen durch einfacher aufgebaute Vesikel. Das sind winzige Bläschen, deren flexible Hülle in Aufbau und mechanischem Verhalten den Zellmembranen sehr ähnlich ist. Im Gleichgewicht sind solche Vesikel oft nahezu kugelförmig. Das komplexe Zellskelett, das in lebenden Zellen von innen Kräfte auf die Membranen ausübt und dadurch Bewegungen und Formänderungen der Zellen auslöst, ersetzten die Forscher durch aktive Teilchen. Diese kugelförmigen Janus-Teilchen bilden bei Zufuhr chemischer Energie einen eigenen Antrieb.

Bei experimentellen Untersuchungen des Systems mit unterschiedlichen Partikelkonzentrationen in Zürich fanden die Forscher eine überraschende Vielfalt unerwarteter Vesikelformen fern des Gleichgewichts. Um zu erklären, wie sie entstehen, haben die Jülicher Forscher eigens ein neues Programm für umfangreiche Berechnungen auf einem Supercomputer des Forschungszentrums geschrieben, das eine hohe räumliche Auflösung der Membranformen und -deformationen ermöglicht.

Unmögliche Experimente im Computermodell

Mit dem Computermodell kann das Team in bisher unerforschte Bereiche vordringen. „Die Computersimulation des gesamten Systems aus Vesikeln und aktiven Teilchen und ihren Wechselwirkungen untereinander ermöglicht uns Untersuchungen, die experimentell schwierig oder ganz unmöglich sind“, erläutert Prof. Dr. Gerhard Gompper, Direktor am Institute for Advanced Simulations und am Institut für Biologische Informationsverarbeitung.

Experimentell schwierig sind beispielsweise Test mit einer hohen Konzentration des Treibstoffs Wasserstoffperoxid. Denn dann erzeugen die Janus-Teilchen Blasen, die selbst wieder starke Kräfte durch Oberflächenspannungen erzeugen und so das Experiment verfälschen. Außerdem lässt die Schwerkraft die Vesikel auf den Grund der Probengefäße sinken, wo sie deformiert werden. Solche unerwünschten Nebenwirkungen lassen sich in Simulationen vermeiden, indem man beispielsweise einfach die Schwerkraft im Modell ausschaltet. Zudem lassen sich mithilfe der Erkenntnisse aus den Simulationen die Experimente besser analysieren.

Drei formgebende Faktoren

Den Forschern gelang es so, die drei wesentlichen Faktoren zu bestimmen, die über die Form und Dynamik der Vesikel entscheiden: erstens die Membranspannung, zweitens die Vortriebskraft der aktiven Partikel und drittens deren Konzentration im Vesikel. Besonders überraschte die Forscher dabei, dass die größte Formenvielfalt bei geringen Partikelkonzentrationen zu beobachten war.

Weitere Untersuchungen an Vesikeln mit komplexeren Hüllen sollen im nächsten Schritt die Ergebnisse noch realitätsnäher machen. Die Ergebnisse sollen helfen, biologische Vorgänge besser zu verstehen. Sie können wichtig für die Entwicklung synthetischer Zellen sein, die einmal etwa als Miniaturfabriken dienen oder als Mikro-Roboter arbeiten sollen.

Originalpublikation: Vutukuri, H.R., Hoore, M., Abaurrea-Velasco, C. et al.: Active particles induce large shape deformations in giant lipid vesicles, Nature 586, 52–56 (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2730-x

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* A. Wenzik, Forschungszentrum Jülich, 52428 Jülich

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