René Schneider ist eine Art Goldsucher. Studiert hat er Physik. Jetzt ist er aber bei den Biologen am Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik gelandet. Wie das alles zusammengeht?

Ich beginne ganz vorn: Bei einem Praktikum während des Studiums hat ihn der Transport von Lasten innerhalb der Zelle fasziniert. “Physik ist etwas Totes”, sagt Schneider, “in der Biologie bewegen sich die Dinge. Hier habe ich wieder gelernt zu staunen und wie ein Kind zu denken”.

Zellen von höheren Organismen müssen ständig Proteine, Botenstoffe und kleinere Zellbestandteile innerhalb der Zelle hin- und her transportieren, um den Stoffwechsel am Laufen zu halten. Signalstoffe oder Stoffwechselproteine sind vom Herstellungs- zum Einsatzort zu bringen, verbrauchtes Material ist als Zell-“Müll” zu entsorgen. Die “Geräte”, mit denen die Zellen diese Speditionsaufgaben erledigen, muten tatsächlich an wie aus der Spielkiste eines Kindes gefallen: Es gibt ein weit verzweigtes Autobahnnetz und es gibt biologische „Lastwagen”, die kleine Containerchen mit Fracht aufnehmen und an Ihren Bestimmungsort transportieren.

Die Autobahnen heißen offiziell Mikrotubuli, zu deutsch: Winzröhrchen. Sie sind also nicht flach, sondern haben etwa die Form langgezogener Makkaroni – allerdings in anderen Dimensionen: Der Durchmesser beträgt etwa 25 Nanometer. Sie durchziehen den ganzen Innenraum der Zelle, um Transporte vom Zellkern weg und zum Zellkern hin zu gewährleisten. Fast wie bei echten Autobahnen wird an ihnen dauernd gebaut – nur dass dies scheinbar von allein geschieht, und zwar in Elementbauweise: Die kleinen Bauelemente fügen sich automatisch zu langen Ketten aneinander, von denen immer dreizehn ihrerseits eine Röhre bilden. Die Mikrotubuli stellen somit 13 “Fahrbahnen” auf der Außenseite der Röhre zum Transport zur Verfügung.

Die Transporter, die sich darauf bewegen, nennt man Motorproteine. Hier interessiert speziell eine Sorte davon, die Kinesine, welche sich um den Transport vom Innern der Zelle zur Außenseite kümmern, also praktisch das Exportgeschäft unterhalten. Genau genommen sind sie eher Laufroboter als Lastwagen. Sie sehen aus, als hätte jemand zwei Spermien genommen und deren geißelförmige Schwänze miteinander verdreht. Die Kinesine benutzen aber die “Köpfe” als Füße. Abwechselnd heftet sich einer der beiden Köpfe an ein Mikrotubuli-Bauelement, während der andere sich weiter zum nächsten Bauelement schleudert. So “laufen” die Transporter an den Röhren entlang, vergleichbar mit der Bewegung eines Seiltänzers. Die zusammengedrehten Schwänze dienen dabei als Ladeanker für die zu transportierende Fracht.

Die Bewegung der Kinesine konnten Wissenschaftler schon früher erkennen. Sie beluden die Laufroboter mit fluoreszierenden Proteinen oder Farbstoffen und konnten so unter dem Mikroskop sehen, wo diese hinwanderten. Allerdings haben die Leuchtmarkierungen den Nachteil, dass sie nur schwach leuchten und schnell an Strahlkraft verlieren. Nach etwa hundert “Schritten” war der Transporter verschwunden, die Forscher konnten sich somit nicht sicher sein, ob er den Mikrotubulus verlassen hatte oder ob nur das Licht ausgegangen war.

Doch jetzt kommt alles zusammen: Die Physik und die Goldpartikel machen es möglich, einer biologischen Frage nachzugehen. Ein gewisser Herr Axelrod entwickelte nämlich in den 1980er Jahren eine neue Mikroskopiertechnik, bei der man die “totale interne Reflexion” eines Laserstrahls ausnutzt, um die Probe zu beleuchten (TIRF-Mikroskopie). Schwer zu verstehen für Nichtphysiker. Jedenfalls lässt sich somit das besonders starke Streulicht der Goldpartikel einsammeln. René Schneider belädt also die Kinesine mit Goldpartikeln und sucht das Licht, das die Partikel zurückwerfen. Der Vorteil: Die Goldpartikel bleichen nicht aus und erlauben vor allem, die Motorproteine so präzise wie nie zu lokalisieren. Die Genauigkeit entspricht ungefähr dem Durchmesser einer der dreizehn Fahrbahnen, aus denen die Mikrotubuli aufgebaut sind.

Mit dieser Methode versucht er jetzt herauszufinden, wie die Motorproteine sich bei starkem Verkehr auf der Autobahn verhalten: Laufen sie immer exakt an den Ketten entlang, aus denen die Mikrotubuli zusammengefügt sind, oder wechseln sie auch mal die Spur? Und wie kommen sie an den vielen Proteinen vorbei, die auf der Autobahn herumliegen: Überspringen sie das Hindernis, indem sie kurz loslassen – oder weichen sie aus? Oder sind die Motoren sogar in der Lage, Hindernisse auf ihrer Spur zu beseitigen? Ziel dieser Untersuchungen ist zu verstehen, wie es die Motoren schaffen, trotz des starken Verkehrs auf den Mikrotubuli einer lebenden Zelle ihren Job korrekt zu erledigen.

Kommentare (4)

  1. #1 Matthis
    August 14, 2010

    Ich als Schüler finde den Artikel sehr anschaulich und auch ausführlich. So macht es Spaß!

  2. #2 KlausH
    August 16, 2010

    Wie groß (Durchmesser in Nanometer) kann man sich etwa eine solche Zelle vorstellen,
    wie lang könnte dann ein solcher Mikrotubulus sein, und in welcher Zeit durchläuft
    ein Motorprotein diese Strecke?

    Es ist jedenfalls eine große Kunst, hochkomplexe Systeme so zu zergliedern und dann
    anschaulich zu beschreiben, wie hier geschehen. Meine Hochachtung, verehrte Frau Sütterlin!
    Ich wünsche mir noch viele solche “Reportagen” aus dieser hochinteressanten, geheimnisvollen Welt!

  3. #3 Sabine Sütterlin
    August 26, 2010

    @KlausH:
    Zellen haben meist einige Mikrometer Durchmesser. Fortsätze von Nervenzellen, in denen die Kinesine auf den Mikrotubuli-Autobahnen unterwegs sind, können aber bis zu 1 Meter lang werden. Die Motorproteine selbst messen einige Nanometer. Mit jedem Schritt kommen sie ziemlich genau 8 Nanometer voran, sie erreichen dabei eine Geschwindigkeit von ein bis zwei Mikrometer pro Sekunde.

    Es gibt übrigens eine Tricksequenz auf Youtube, die den Schlenkergang der Kinesine anschaulich zeigt: http://www.youtube.com/watch?v=lLxlBB9ZBj4

    Ich hoffe, das hilft weiter.

  4. #4 Florian
    August 31, 2010

    und auch immer schoen: the inner life of a cell.
    http://multimedia.mcb.harvard.edu/

    da kriegt man auch keine genauen groessenangaben, aber man sieht, wie dynamisch es in einer zelle zugeht.