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Das Herz schlägt immer links, aber warum?

Die Zusammenarbeit von Physikern und Biologen in Dresden liefert Erklärungen für bisher ungeklärte Phänomene des Lebens.

Cyanfarben markiert sind jene Bereiche der Zelle, in denen Kräfte und Drehmomente erzeugt werden.
Cyanfarben markiert sind jene Bereiche der Zelle, in denen Kräfte und Drehmomente erzeugt werden. © Sylvia Hurlimann / Middelkoop et al. PNAS, 18. Mai

Zellen können sich drehen. Das haben die Dresdner Forscher um Stephan W. Grill, einem Direktor des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden und Sprecher des Exzellenzclusters Physik des Lebens der TU Dresden, schon gezeigt. Möglich macht dies das Zytoskelett, das die Form einer Zelle vorgibt und von feinen Aktinfilamenten durchzogen ist.

Die Proteinschnüre wachsen aber nicht schnurgerade, sondern nehmen die Struktur einer Helix an. Dass Zellen sich winden, bestimmt ein anderes Protein: Das Myosin, das auch in der menschlichen Muskulatur vorkommt und dort maßgeblich die Kontraktion der Muskeln ermöglicht.

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Doch wer entscheidet nun auf molekularer Ebene, in welche Richtung sich die Zellen bewegen? Wie findet das Herz des Menschen seinen Weg in die linke Körperhälfte und woher weiß der knapp acht Meter lange Darm, in welche Richtung er sich drehen und knicken muss. Teije Middelkoop ist es gelungen, den Antworten auf diese Fragen einen entscheidenden Schritt näherzukommen.

Der Postdoktorand und Genetiker hat in einem dreijährigen Forschungsprozess herausgefunden, dass in dem Zytoskelett der Zelle das Protein Formin die Richtung von Zellbewegungen vorgibt. „Man kann das System mit einem fahrenden Auto vergleichen“, sagt Biophysikprofessor Stephan Grill und er ergänzt: „Das Myosin in den Zellen ist der Motor und das Formin steuert analog zum Lenkrad die Drehbewegungen von Zellen.“

Möglich wurde diese Erkenntnis durch eine enge Kooperation von Biologen und Physikern. „Die unkomplizierte interdisziplinäre Zusammenarbeit in Dresden über die Fachgebiete hinweg ist einzigartig, Dresden ist hierfür einer der weltweit führenden Standorte“, ist Stephan Grill überzeugt. Und sie hat eine durchaus lange Geschichte. Vor gut zwei Jahrzehnten hat die TU Dresden begonnen, ihre wissenschaftlichen Kompetenzen gemeinsam mit anderen Forschungseinrichtungen in Exzellenzcluster einzubringen.

Biophysikprofessor Stephan W. Grill und der Wissenschaftler Teije Middelkoop vom Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden.
Biophysikprofessor Stephan W. Grill und der Wissenschaftler Teije Middelkoop vom Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden. © MPI-CBG

Drei Cluster sind in den letzten Jahren neu entstanden, eines trägt den Namen Physics of Life (Physik des Lebens, kurz PoL). Es wurde vor etwa zweieinhalb Jahren gegründet, unterstützt mit Geldern der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Sie stellt bis 2025 insgesamt über 45 Millionen Euro zur Verfügung, damit Biophysiker, Biologen und Computerwissenschaftler im Exzellenzcluster Physics of Life gemeinsam Antworten zu grundlegenden Fragen der Zell- und Entwicklungsbiologie finden.

Am PoL wird Grundlagenforschung betrieben. Derzeit arbeiten zehn Gruppen von Wissenschaftlern an unterschiedlichsten Themen. Neben der Bewegung der Zellen steht auch die Form von Organen im Fokus. Wie entsteht die?

Zellersatz und künstliche Organe

„Wenn wir diesen Prozess verstanden haben, könnte das die Herstellung künstlicher Organe als Ersatz zur herkömmlichen Organspende weiter voranbringen“, sagt Stephan Grill. Ohnehin unterlägen alle Forschungsprojekte dem Anspruch, früher oder später in die praktische Anwendung überführt zu werden. Dazu wirbt man um die klügsten Köpfe in den einzelnen Fachbereichen. Drei neue Professuren und sieben neue Forschungs- und Technologiegruppen sind in den vergangenen zwei Jahren am PoL entstanden. Sieben weitere sollen folgen, so Professor Grill.

Auch Teije Middelkoop ist aus den Niederlanden nach Dresden gekommen, „weil die Kooperation zwischen den einzelnen Instituten unkompliziert ist und ich genau hier die Experten finde, die ich für meine Arbeit brauche, beispielsweise im Biotechnologischen Zentrum der TU Dresden“, wie er sagt. Zu PoL, einem Institut der TU Dresden, gehören neben dem Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) auch das Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme (MPI-PKS), das Leibniz-Institut für Polymerforschung (IPF) und das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).

Institutsübergreifend ist das große Ziel, Prozesse und Mechanismen zu entschlüsseln und zu verstehen, die lebenden Systemen, wie Organen, ihre Struktur und Form geben.

Genau in diesem Punkt greifen die Physik und die Biologie ineinander. Als ein wichtiges Modell dient dabei der Fadenwurm. Mehrere Hunderte Exemplare hat sich Teije Middelkoop unter dem Konfokalmikroskop in den letzten Jahren angesehen. Mit Lichtpunkten wird das Zytoskelett durchleuchtet, nicht komplett, sondern Schicht für Schicht.

Fluoreszierende Substanzen liefern beeindruckende Bilder. Sie erinnern an ferne Galaxien. Sie bewiesen aber auch, dass eine hohe Konzentration von Formin die Rotationsbewegungen der Zelle verstärkt. Während die Drehbewegungen deutlich abnahmen, sank der Forminspiegel.

Diese Drehbewegungen sind auch entscheidend für die Zellteilung. Sie über den Forminspiegel zu beeinflussen, könnte zukünftig für die Bekämpfung von Krebserkrankungen von Bedeutung sein, sind Wissenschaftler wie Teije Middelkoop überzeugt. Damit hätte die Physik gute Chancen, zur Medizin der Zukunft zu werden.

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