Zellen lösen ein einfaches und schwieriges Labyrinth. (Tweedy et al, Science, 2020) Für eine einzelne Zelle ist die menschlicher Körper ist ein gigantisches Labyrinth aus Geweben, Chemikalien und Kapillaren, vollgestopft mit Billionen anderer Zellen, die alle wie Pendler auf dem verkehrsreichsten Bahnhof der Welt herumschwirren. Irgendwie schaffen es die meisten Zellen trotz all des Trubels, ihr Ziel zu erreichen.
Wie machen Sie das? Viele Zellen haben einen Trick im Ärmel, der so genannte Chemotaxis - im Wesentlichen die Fähigkeit zur Navigation, indem sie das Vorhandensein oder Fehlen chemischer Lockstoffe in der Umgebung erkennt. Spermazellen Verwenden Sie Chemotaxis, um Eier zu finden, weiße Blutkörperchen nutzen sie, um Infektionsherde zu umkreisen und Krebs Zellen nutzen es, um durch empfindliche Gewebe zu metastasieren.
Kann eine Amöbe Chemotaxis nutzen, um das berüchtigtste Heckenlabyrinth der Welt zu lösen? Genau das geschah in einer neuen Studie, die heute (27. August) in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Wissenschaft .
Um die Kraft einer bestimmten Form der Chemotaxis zu testen, die von den am weitesten reisenden Zellen eingesetzt wird, erstellten Forscher Miniaturversionen davon Heckenlabyrinth im Hampton Court Palace (einst der Wohnsitz von König Heinrich VIII und seine Nachkommen) sowie Dutzende weitere mikroskopisch kleine Labyrinthe unterschiedlicher Komplexität.
Bemerkenswerterweise schossen Amöben, wenn sie in diesen Labyrinthen freigelassen wurden, mit unglaublicher Genauigkeit zu den Ausgängen und nutzten Chemotaxis, um effektiv „um Ecken zu sehen“ und Sackgassen zu vermeiden, bevor sie sie überhaupt erreichten, sagte Studienautor Robert Insall.
„Die Zellen warten nicht darauf, dass ihnen jemand sagt, was sie tun sollen“, sagte Insall, Professor für mathematische und rechnergestützte Zellbiologie an der Universität Glasgow in Schottland, gegenüber WordsSideKick.com.
„Indem sie die Chemikalien vor ihnen abbauen, wissen sie, welcher Zweig des Labyrinths in eine Sackgasse und welcher [zum Ausgang] führt. Es ist absolut unglaublich.‘
In ihrer neuen Studie konzentrierten sich die Forscher auf eine bestimmte Form der Zellnavigation, die „selbstgenerierte“ Chemotaxis genannt wird.
Es beruht auf einer einfachen Philosophie: Zellen wollen von Bereichen mit einer geringeren Konzentration an Lockstoff (in diesem Fall einer sauren Lösung namens Adenosinmonophosphat) in Bereiche mit einer höheren Konzentration wandern.
„Es ist ein bisschen wie das alte Sprichwort: ‚Das Gras ist auf der anderen Seite des Zauns immer grüner‘“, sagte Insall.
„Die Kühe haben das ganze Gras dort gefressen, wo sie sind, und sie wollen auf das umliegende Feld, wo das Gras noch wächst.“
Aber manchmal stehen mehrere „Felder“ zur Auswahl, was in dieser Studie durch die vielen Verzweigungen eines Labyrinths veranschaulicht wird. Um festzustellen, welcher Zweig die höhere Konzentration an Lockstoff enthält, spalten Zellen die Moleküle vor ihnen auf, wodurch Lockstoffe aus den umliegenden Bereichen zu ihnen diffundieren.
Während sich die Zellen vorwärtsbewegen, wird der Lockstoff vor ihnen immer weniger; Schließlich sind die kurzen, in Sackgassen verlaufenden Zweige des Labyrinths völlig ohne Lockstoff, noch bevor die Zellen den Ausgang in einer Sackgasse erreichen. Wenn sie mit einem kurzen, erschöpften Ast und einem langen, mit Lockstoffen gefüllten Ast konfrontiert werden, werden die Zellen niemals den Weg in die Sackgasse einschlagen, sagte Insall.
„Sie können wirklich um die Ecke sehen“, sagte Insall.
Die Forscher veranschaulichten dieses Phänomen zu Beginn ihrer Studie mit Computermodellen, wollten es aber auch in Aktion sehen. Daher schufen sie mehr als 100 mikroskopische Labyrinthe, indem sie Rillen in einen Siliziumchip ätzten, wobei jeder Pfad zwischen 10 und 40 Mikrometer breit war. (Zum Vergleich: Die dünnsten menschlichen Haare sind etwa 20 Mikrometer breit).
Die Labyrinthe reichten von einfach (nur ein paar abzweigende Wege vor dem Ausgang) über schwierig (mit langen Sackgassen, wie die Nachbildung des Heckenlabyrinths von Hampton Court) bis hin zu unmöglich (laut Insall eine Nachbildung des schottischen Labyrinths). Traquair-House-Labyrinth musste verschrottet werden, da alle Amöben immer wieder starben, bevor sie das Rätsel gelöst hatten.
Die Forscher gossen diese winzigen Labyrinthe aus Gummi und überfluteten sie dann mit einem flüssigen Lockstoff, der durch den Ausgang des Labyrinths eingeleitet wurde. Zu Beginn jedes Labyrinths riefen Bodenamöben Dictyostelium discoideum stellten sich auf und begannen vorwärts zu schwimmen, wobei sie die Flüssigkeitsmoleküle vor ihnen zersetzten.
Die längsten Labyrinthe brauchten etwa zwei Stunden, bis die klugen Zellen sie gelöst hatten, sagte Insall, während die kürzeren nur 30 Minuten brauchten.
Die realen Zellen funktionierten genau so, wie es die Modelle des Teams vorhergesagt hatten. Vor der Wahl zwischen einem kurzen Sackgassenweg und einem langen Weg, der zum Ausgang führte, entschieden sich die Zellen stets für den langen Weg.
In schwierigeren Labyrinthen, die Sackgassen enthielten, die genauso lang waren wie der richtige Weg, wählten die Zellen in etwa 50 Prozent der Fälle die richtige Wahl.
In beiden Fällen erreichten die Zellen, die zuerst das Labyrinth betraten, am ehesten den Ausgang; Zellen, die verspätet waren, stellten fest, dass jeder Weg, selbst der richtige, bereits von ihren Konkurrenten an Lockstoffen geschwächt worden war, so dass die Nachzügler keine Informationen darüber hatten, wohin sie gehen sollten.
„Die Menge an Informationen, die Zellen durch den Abbau von Chemikalien lesen können, ist viel ausgefeilter, als irgendjemand gedacht hätte“, sagte Insall. „Das lässt uns vermuten, dass die meisten biologischen Probleme, bei denen Zellen ihren Weg von einem Ort zum anderen finden müssen, mit ziemlicher Sicherheit einen solchen Mechanismus nutzen.“
Auch wenn sich die Studie auf Amöben konzentrierte, glauben die Forscher, dass die Ergebnisse für jede beliebige Anzahl menschlicher Körperzellen gelten sollten – seien es Blutzellen, die durch Gewebe schießen, um eine Infektion zu erreichen, oder krebsartige Glioblastomzellen, die durch Kanäle der weißen Substanz des Gehirns schwimmen.
Die Art des Lockstoffs ist wahrscheinlich in jeder Situation unterschiedlich (und ist den Wissenschaftlern in vielen Fällen noch unbekannt), aber für Zellen, die durch das verwinkelte Labyrinth unseres Körpers navigieren, ist es möglicherweise der beste Weg, herauszufinden, wo das Gras grüner ist.
Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht von Live-Wissenschaft . Lesen Sie den Originalartikel Hier .