Multifunktionale Fettinseln

19. Februar 2001, 20:11

Linzer Biophysiker beobachten erstmals einzelne Lipidmoleküle in einer lebenden Zelle

Noch vor rund zwanzig Jahren galt in der Zellbiologie das eherne Gesetz, dass die Zellmembran aus einer homogenen Matrix aus Fettmolekülen besteht, deren Aufgabe alleine darin besteht, die Innenwelt der Zelle von außen abzuschließen. Vor allem in den letzten Jahren hat sich diese Vorstellung aber grundlegend geändert, wie Dr. Gerhard Schütz vom Institut für Biophysik der Universität Linz erklärt. "Aufbauend auf neuen biochemischen Untersuchungen, hat das Bild der Plasmamembran biologischer Zellen eine völlige Neuinterpretation erfahren. Man hat erkannt, dass die Lipidmatrix strukturiert ist und die Fettmoleküle in gelförmiger oder in flüssiger Form vorkommen können. Dadurch bilden sie genau abgegrenzte Bereiche, so genannte ,Domänen', die wichtige Zellfunktionen übernehmen."

Unter dem Rastermikroskop wurden diese "Fettinseln" schon entdeckt, allerdings nur bei toten Zellen. Die Linzer Biophysiker haben nun im Rahmen eines FWF-Projekts eine neue Methode entwickelt, mit der erstmals weltweit einzelne Moleküle einer lebenden Zelle beobachtet werden konnten. Sie inserierten dazu fluoreszenzmarkierte Lipidmoleküle in die Zellmembran, die sich in der Folge in bestimmten Domänen anreicherten. Mittels hochauflösender Optik und einer ultra-sensitiven Spezialkamera wurden die "leuchtenden" Moleküle schließlich sichtbar gemacht.

Die kurzen Belichtungszeiten und die schnelle Zeitauflösung erlaubten eine weitere Premiere: Erstmals konnte auch die Dynamik einzelner Moleküle und Domänen auf Film gebannt werden. Die Aufnahmen zeigten, dass zwar die einzelnen Moleküle innerhalb einer Domäne beweglich sind, die Fettinseln selbst aber oft längere Zeit an einem bestimmten Platz verankert bleiben. "Daraus kann man vorsichtig rückschließen", so Schütz, "dass die Domänen offensichtlich mit dem Zellskelett in Wechselwirkung stehen."

Andockende Proteine

Die Biophysiker sehen die Sichtbarmachung aber nur als einen ersten Schritt. Jetzt, wo man erstmals die postulierten Domänen "in Aktion" gesehen hat, will man herausfinden, welche Funktion sie innerhalb der Zelle erfüllen. Von besonderem Interesse ist dabei die Wechselwirkung mit Proteinen, den Hauptträgern der Zellkommunikation. Die meisten Eiweiße, wie übrigens auch die BSE-Prionen, besitzen einen Lipidanker. Bereits in früheren Aufnahmen von toten Zellen hatte sich gezeigt, dass sie dadurch selektiv an bestimmte Fettmoleküle der Zellmembran andocken können. Die Zelle kann also bestimmte Proteine, die frei in der Membran oder im Zellinneren schwimmen, mit einem passenden Lipidanker versehen und so in einen bestimmten Bereich der Plasmamembran verfrachten.

Die Lipiddomänen könnten damit eine wichtige Rolle in der Steuerung der Zellkommunikation spielen. "Man kann sich die Zelle wie eine mittelalterliche Stadt vorstellen", veranschaulicht Schütz seine These. "Die Kommunikation mit außen findet nicht entlang der gesamten Stadtmauer statt, sondern ausschließlich über die Stadttore. In der Zellmembran übernehmen die Lipiddomänen quasi die Rolle der Stadttore." In den meisten Fällen ist für eine erfolgreiche Kommunikation aber das Zusammenspiel verschiedener Proteine erforderlich. Die Zelle könnte also insofern "clever" vorgehen, als sie alle für einen Signalweiterleitungsprozess notwendigen Proteine als Bausatz in eine Domäne packt. Sobald ein Trigger, etwa ein Hormon oder Antigen, die Zelle erreicht, kann der für die Zellreaktion nötige Proteinkomplex schnell und effizient zusammengebaut werden.

Die Linzer Forscher hoffen, in naher Zukunft auch diese Assemblierungsprozesse auf Film bannen zu können. Durch Markieren verschiedener Lipiddomänen und Proteine sollen die Interaktionen sozusagen vor den Augen der Wissenschafter ablaufen. Die zentralen Fragen lauten: Zu welcher Domäne bewegt sich das Protein? Wie lange bleibt es in der Domäne, und wie lange dauert es, bis die Zelle eine Reaktion setzt? Die Antworten darauf soll das Österreichische Zentrum für Einzelmolekülmikroskopie liefern, das derzeit im Auftrag des Wissenschaftsministeriums am Institut für Biophysik eingerichtet wird. Die Tragweite des Domänenkonzepts geht laut Schütz weit über rein zellbiologische Fragestellungen hinaus. Viele Erkrankungen, etwa des Immunsystems, sind auf eine gestörte Verteilung der Proteine in der Zellmembran zurückzuführen. Da Lipiddomänen offensichtlich für ebendiese Proteinverteilung verantwortlich sind, hofft man auf neue Erkenntnisse im Bereich der Medizin und Pharmazie. Immerhin gilt es bereits als wissenschaftlich erwiesen, dass auch die Aufnahme des HI-Virus in Immunzellen mit den multifunktionalen Fettinseln zusammenhängt. (DER STANDARD, Print-Ausgabe, 20. 2. 2001).

Von Angelika Prohammer
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